مسیر جدید برای ساخت مواد از ذرات ریز

محقق لورا روسی و گروهش در دانشگاه صنعتی دلفت (TU Delft) راهی جدید برای ساختن مواد مصنوعی از ذرات ریز شیشه ای به نام کلوئید پیدا کرده اند. آنها به همراه همکاران خود از دانشگاه کوئینز و دانشگاه آمستردام نشان دادند که بدون توجه به سایر خواص ذرات کلوئیدی می توانند به سادگی از شکل این کلوئیدها برای ساختن بلوک های ساختمانی جالب برای مواد جدید استفاده کنند. روسی: “این قابل توجه است، زیرا راه کاملا جدیدی را برای تفکر در مورد طراحی مواد باز می کند.” کار آنها در Science Advances  این جمعه منتشر شده است.

کلوئیدها ذرات بسیار ریزی هستند که اندازه آنها از چند نانومتر تا چند میکرون است. آنها از مجموعه ای از مولکول ها تشکیل شده اند و بسته به ماده ای که از آن ساخته شده اند می توانند خواص متفاوتی داشته باشند. روسی توضیح می‌دهد: «تحت شرایط خاص، کلوئیدها می‌توانند مانند اتم‌ها و مولکول‌ها رفتار کنند، اما برهم‌کنش‌های آنها قوی‌تر نیست. این باعث می‌شود که بلوک‌های سازنده مواد جدید، به عنوان مثال برای مواد تعاملی که می‌توانند خواص خود را با محیط خود تطبیق دهند، امیدوارکننده باشند.»

روش جدید طراحی مواد

اگر به حال خود رها شود، کلوئیدهای مکعبی شکل حاصل از این مطالعه، که از شیشه ساخته شده‌اند، خود را در ساختارهای ساده‌ای مانند شبکه‌های مکعبی و شش ضلعی منحرف می‌کنند. اما محققان به جای اینکه فوراً از بلوک ساختمانی به ساختار نهایی بروند، گروه‌های کوچکی از کلوئیدها را برداشتند و آنها را در بلوک‌های ساختمانی بزرگ‌تر ترکیب کردند. هنگامی که آنها این خوشه های کلوئیدی را جمع آوری کردند، به ساختار نهایی متفاوتی با خواص مواد متفاوت از ساختار خودآرایی رسیدند. روسی می گوید: «از دیدگاه شیمی، ما همیشه بر این تمرکز می کنیم که چگونه می توانیم نوع خاصی از کلوئید را تولید کنیم. در این مطالعه، ما تمرکز خود را به این معطوف کرده‌ایم: چگونه می‌توانیم از کلوئیدهای موجود برای ساختن بلوک‌های ساختمانی جالب استفاده کنیم؟

یک قدم به جلو

به گفته روسی و همکارش گرگ ون اندرس، یکی از هدف نهایی جامعه تحقیقاتی آنها طراحی ساختارهای کلوئیدی پیچیده بر اساس تقاضا است. “آنچه در اینجا یافتیم بسیار مهم است، زیرا برای کاربردهای احتمالی، ما باید رویه هایی داشته باشیم که بتوان آنها را افزایش داد و این چیزی است که دستیابی به آن با اکثر رویکردهای فعلی دشوار است.”

توانایی اولیه برای از پیش مونتاژ مهره‌های یکسان از بلوک‌های ساختمانی مختلف، و ساختن یک ساختار از آن‌ها، یا برداشتن بلوک‌های ساختمانی یکسان و از پیش مونتاژ مهره‌های مختلف که ساختارهای مختلف را می‌سازند، واقعاً «حرکات شطرنج» اساسی برای ون اندرس می افزاید: ساختارهای پیچیده مهندسی.

اگرچه روسی به جای کاربرد طراحی مواد، جنبه‌های اساسی را مطالعه می‌کند، اما می‌تواند کاربردهای نهایی را برای این کار خاص تصور کند: «ما دریافتیم که چگالی ساختاری که ما آماده کردیم بسیار کمتر از چگالی ساختاری بود که با استفاده از آن به دست می‌آورید. بلوک های سازنده شروع بنابراین شما می توانید در مورد مواد قوی اما سبک وزن برای حمل و نقل فکر کنید.

تیم شدن

پس از اینکه تیم روسی خوشه هایی از کلوئیدها را در آزمایشگاه ساختند، به تیم ون اندرس از دانشگاه کوئینز برای ساختن ساختار نهایی از خوشه های از پیش مونتاژ شده با شبیه سازی رایانه ای تکیه کردند. روسی توضیح می‌دهد: «با این نوع پروژه‌ها، بسیار خوب است که بتوانیم با دیگرانی که می‌توانند شبیه‌سازی‌ها را اجرا کنند، نه تنها برای درک عمیق آنچه اتفاق می‌افتد، بلکه برای آزمایش اینکه چقدر شانس یک آزمایش آزمایشگاهی موفقیت‌آمیز خواهد بود، متحد شویم». . و در این مورد، نتایج بسیار قانع‌کننده‌ای به دست آوردیم که فرآیند طراحی را به خوبی درک کرده‌ایم و مواد حاصل می‌تواند مفید باشد.»

گام بعدی ساختن ساختار نهایی ساخته شده از گروه های کلوئیدی در آزمایشگاه خواهد بود. روسی می گوید: “پس از دیدن این نتایج، من مطمئن هستم که می توان آن را انجام داد.” بسیار عالی است که نسخه فیزیکی این ماده را داشته باشم و آن را در دستانم بگیرم.