کشف یک دسته جدید از مواد در آزمایشگاه کیارا داریو در کلتک، محققان یک نوع ماده را شناسایی کرده‌اند که به شکلی منحصربه‌فرد به فشار پاسخ می‌دهد و در برخی شرایط مانند مایع و در شرایط دیگر مانند جامد رفتار می‌کند.
این ماده نوآورانه، که به عنوان مواد ساختمانی پلی‌کاتناتی (PAMs) شناخته می‌شود، انعطاف‌پذیری مایعات را با ثبات جامدات ترکیب می‌کند و آن را به یک گزینه امیدوارکننده برای استفاده در هر چیزی از تجهیزات حفاظتی و دستگاه‌های پزشکی تا رباتیک تبدیل می‌کند.
برای درک بهتر این مواد ، تیم کلتک ابتدائاً PAMs را با استفاده از مدل‌سازی رایانه‌ای طراحی کردند تا ساختار شبکه‌ای معمولی مواد بلورین را تقلید کنند. با این حال، برخلاف بلورهای سنتی که ذرات ثابتی دارند، PAMs شامل حلقه‌ها یا قفس‌هایی هستند که اجازه می‌دهند تا تعاملات پویاتری بین عناصر برقرار شود.
این طراحی از طریق استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی پیشرفته به زندگی تبدیل شد، با استفاده از موادی از جمله پلیمرهای اکریلیک تا فلزات. محققان نمونه‌های اولیه را عمدتاً به شکل مکعب یا کره‌های کوچک حدود پنج سانتی‌متر در قطر ساختند. سپس این مدل‌ها تحت آزمایش‌های فشار مختلف قرار گرفتند تا واکنش‌های آن‌ها مشاهده شود.
ژو وینجی ژو، محقق پسادکتری در آزمایشگاه داریو، روش کار را شرح می‌دهد: «ما با فشار شروع کردیم، هر بار کمی بیشتر فشار دادیم. سپس یک برش ساده امتحان کردیم، یک نیروی جانبی، مانند آنچه که اعمال می‌کنید اگر بخواهید ماده را پاره کنید. در نهایت، آزمون‌های رئولوژی انجام دادیم، و دیدیم که مواد چگونه به چرخش پاسخ می‌دهند، ابتدا به آرامی و سپس سریع‌تر و قوی‌تر.»
پاسخ دینامیک ‘نوع جدیدی از ماده’ در فشار
PAMs توانایی منحصربه‌فردی برای انتقال بین حالت‌های مایع‌مانند و جامد‌مانند بسته به فشارهای اعمال شده نشان دادند. ژو این سازگاری را با یادداشت توضیح می‌دهد که تحت فشار برشی، PAMs مانند آب با “مقاومت صفر” رفتار می‌کنند، به دلیل اینکه اجزاء آن‌ها مانند حلقه‌های زنجیر با یکدیگر لغزش می‌کنند. با این حال، هنگامی که فشرده می‌شوند، این ساختارها به طور کامل سخت و مانند جامد عمل می‌کنند.
کیارا داریو به طبیعت متفاوت PAMs اشاره می‌کند و آن‌ها را “واقعاً یک نوع جدید از ماده” توصیف می‌کند. او توضیح می‌دهد که برخلاف دسته‌های کاملا تعریف‌شده شبکه‌های جمید بلوری و مواد گرانولی مانند برنج یا قهوه، PAMs جنبه‌های هر دو را ترکیب می‌کنند. ذرات در PAMs مانند ذرات در ساختارهای بلوری به هم پیوسته شده‌اند اما آزاد هستند تا بر روی یکدیگر حرکت کرده و لغزش کنند، که یک ماده پویا ایجاد می‌کند که می‌تواند بین حالت‌ها انتقال کند.
داریو بیشتر اشاره می‌کند که PAMs گزینه‌های گسترده‌ای برای سفارشی‌سازی ارائه می‌دهند. “می‌توانید آن‌ها را در مواد نرم یا سخت چاپ کنید،” او می‌گوید و بر انعطاف‌پذیری در طراحی این مواد برای متناسب با کاربردهای مختلف تاکید می‌کند. هر تغییری در شکل یا اتصال شبکه به طور مستقیم بر رفتار ماده تاثیر می‌گذارد و به طور مداوم نشان‌دهنده انتقال بین حالت‌های مایع و جامد‌مانند تحت شرایط مختلف است.
با توجه به اهمیت گسترده‌تر این پژوهش، داریو اظهار می‌کند، “مواد معماری شده به مدت ۲۰ تا ۳۰ سال گذشته زیرمجموعه مهمی بوده‌اند.” PAMs به عنوان پلی که بین مواد گرانولی و مواد قابل تغییر الاستیک قرار می‌گیرند، “مرز جالبی” است که می‌تواند تعاریف و خواص مواد را در علم و مهندسی دوباره تعریف کند.
کاربردهای بالقوه مواد ساختمانی پلی‌کاتناتی
کاربردهای بالقوه PAMs گسترده‌اند اما هنوز به طور عمده نظری هستند. کیارا داریو به ویژگی‌های منحصر به فرد این مواد اشاره می‌کند و می‌گوید: “این مواد دارای ویژگی‌های جذب انرژی منحصر به فردی هستند. زیرا هر عنصر می‌تواند نسبت به یکدیگر لغزش کند، بچرخد و بازآرایی شود، می‌توانند انرژی را به طور کارآمدی از بین ببرند.”
این ویژگی آن‌ها را به کاندیدایی امیدوارکننده برای استفاده در تجهیزات حفاظتی مانند کلاه ایمنی یا بسته‌بندی تبدیل می‌کند، و توانایی‌های مواد فعلی فومی را در جذب انرژی فراتر می‌برند.
پژوهش‌های بیشتر در زمینه PAMs، به ویژه در سطح میکرواسکال، نشان داده‌اند که ماده می‌تواند به طور فعال به محرک محیطی پاسخ دهد. آن‌ها در پاسخ به بار الکتریکی و نیروهای فیزیکی منبسط یا منقبض می‌شوند، که روش‌های استفاده بالقوه در زمینه‌هایی مانند دستگاه‌های پزشکی و رباتیک نرم که تطابق با شرایط متغیر حیاتی است را پیشنهاد می‌کند.
لیوچی لی، نویسنده همکار و استادیار مهندسی عمران و محیط زیست در دانشگاه پرینستون، نسبت به جهت‌گیری‌های آینده تحقیقاتی PAMs خوشبین است. او به اتخاذ تکنیک‌های پیشرفته هوش مصنوعی برای ورود به امکانات طراحی گسترده این مواد توصیه می‌کند، و تأکید می‌کند که تحقیقات کنونی تنها آغاز کشف پتانسیل‌های آن‌ها است. این پژوهش روی PAMs در مجله علم مستند شده است، تحت عنوان “ مواد ساختمانی ۳D پلی‌کاتناتی “
-
-
-
-
