تیمی از محققان به سرپرستی دانشمندان دانشگاه نورث‌وسترن، اولین ماده دو بعدی به طور مکانیکی قفل شده را با انعطاف‌پذیری و استحکام بالا توسعه داده‌اند. این ماده ممکن است در آینده برای تولید زره‌های بدن سبک و پرقدرت و دیگر موادی با دوام بالا استفاده شود، طبق بیانیه‌ای مطبوعاتی.
در دهه ۱۹۸۰، فریزر استودارت، که آن زمان یک شیمی‌دان در دانشگاه نورث‌وسترن بود، اولین بار مفهوم باندهای مکانیکی را معرفی کرد. سپس استودارت نقش این باندها را به ماشین‌های مولکولی گسترش داد، با ایجاد قابلیت‌هایی مانند سوئیچ کردن، چرخش، انقباض و انبساط به شیوه‌های مختلف و استفاده از آنها برای توسعه ساختارهای قفل شده، که در سال ۲۰۱۶ جایزه نوبل را نیز برای او به ارمغان آورد.
پژوهشگران سال‌هاست که در زمینه توسعه مولکول‌های مکانیکی قفل شده با پلیمرها کار می‌کنند اما تا کنون ناموفق بوده‌اند. ویلیام دیتچل، استاد شیمی دانشگاه نورث‌وسترن، در ایمیلی به «Interesting Engineering» توضیح داد: «در شیمی آلی، تشکیل حلقه‌های با سایز متوسط که ۵-۸ اتم در اطراف دارند، نسبتا مستقیم است. اما چنین حلقه‌هایی برای عبور دادن مولکول دیگری از میان آنها بسیار کوچک هستند.»
دیتچل اضافه کرد: «در مقاله ما، حلقه‌های جدیدی در هر واحد تکرارشده از ساختار دو بعدی شکل گرفته‌اند که ۴۰ اتم در اطراف دارند.» این با استفاده از روش نوآورانه و جدیدی که حتی فرضیات درباره نحوه واکنش مولکول‌ها را زیر سوال برده بود، به دست آمد.
فرآیندی نوین
مدیسون باردوت، دانشجوی دکترای لابراتوار دیتچل، فرآیندی نوین با استفاده از مونومرهای X شکل به عنوان بلوک‌های سازنده توسعه داد و آنها را به ساختارهای کریستالی با نظم بالا مرتب کرد. سپس از مولکول دیگری برای ایجاد باندها بین مولکول‌های کریستال استفاده کردند.
ماده حاصل شامل لایه‌هایی از صفحات پلیمری دو بعدی است که انتهای مونومرهای X شکل با انتهای مونومرهای X شکل دیگر قفل شده‌اند و مونومرهای بیشتری از فاصله بین آنها عبور می‌کنند. در کل، ماده شامل ۱۰۰ تریلیون باند مکانیکی در هر سانتی‌متر مربع است که بالاترین چگالی تاکنون به دست آمده است.
جالب است که تیم همچنین متوجه شد که حل کردن پلیمر در محلول باعث می‌شود که مونومرهای قفل شده از یکدیگر جدا شوند، که به دستکاری ورقه‌های فردی ممکن می‌سازد.
دیتچل در ایمیلی به «IE» توضیح داد: «بسیاری از مواد بسیار کریستالی شکننده هستند، اما پلیمر ما ساختاری منظم و مرتب دارد و با این حال بسیار انعطاف‌پذیر است زیرا هر باند مکانیکی کمی فضای برای حرکت دارد.»
دیتچل توضیح داد: «زمانی که نیروی کمی به پلیمر اعمال می‌شود، به شدت انعطاف‌پذیر است، اما اگر نیروی بیشتری اعمال شود ماده سفت‌تر می‌شود زیرا باندهای مکانیکی محلی کشیده می‌شوند. این ویژگی به نام «سخت‌سازی کششی» شناخته می‌شود و برای مواد نرم و با استحکام مکانیکی جالب توجه است.»
علاوه بر ویژگی‌های مکانیکی، معماری پلیمر دارای ویژگی‌های جالبی است که می‌تواند برای کاربردهای جدید بررسی شود.
از قدرت به قدرت
همکاران دیتچل در دانشگاه دوک این پلیمر تازه توسعه یافته را به اولتم اضافه کردند، یک فیبر در همان خانواده کولار اما که می‌تواند دماهای شدید و مواجهه با مواد شیمیایی را تحمل کند. با استفاده از تنها ۲.۵ درصد از این پلیمر استحکام و دوام آن به طور چشمگیری افزایش یافت. این می‌تواند برای ساخت زره یا حفاظت بالستیک مورد استفاده قرار گیرد.
در حالی که پلیمرهای حاوی باندهای مکانیکی قبلاً در مقیاس کوچک سنتز شده‌اند، این رویکرد به تیم دیتچل کمک کرد تا به راحتی حدود یک پوند (نیم کیلوگرم) از ماده را بسازند. این همچنین نشان می‌دهد که این رویکرد به شدت مقیاس‌پذیر است.
دیتچل در ایمیلی اضافه کرد: «شاید چالش‌برانگیزترین جنبه این بود که به خودمان ثابت کنیم که واقعاً ساختار مکانیکی قفل شده پیشنهادی را داریم - این کار یک تیم با تخصص‌های متنوع شامل شیمیدانان سنتزی، میکروسکوپی‌های الکترونی، مهندسان پلیمر را نیاز داشت تا کشف کنیم چگونه مواد را بسازیم و سپس چگونه آنها را واقعاً مطالعه کنیم.»
یافته‌های تحقیق در مجله Science منتشر شده است.
