تخيل درعًا خفيفًا مثل القماش ولكنه أقوى من الفولاذ، ومصنوع من مواد ترتبط ببعضها البعض مثل سلسلة البريد الجزيئية. وربما يكون العلماء قد اتخذوا للتو الخطوة الأولى نحو جعل ذلك حقيقة واقعة.
قام فريق من الباحثين بقيادة علماء جامعة نورث وسترن بتطوير ما قد يكون أول مادة ثنائية الأبعاد متشابكة ميكانيكيًا، تشبه الروابط الموجودة في سلسلة البريد. المادة مفصلة في دراسة نشرت في 16 يناير في المجلة علوم، مرنة وقوية بشكل استثنائي، مع تطبيقات واعدة في منتجات مثل الدروع الواقية للبدن خفيفة الوزن والأقمشة الباليستية.
قام الباحثون ببناء المادة على مستوى النانو، مما يعني أن مكوناتها الفردية قابلة للقياس بالنانومتر. إنه بوليمر من الناحية الفنية: مادة مصنوعة من جزيئات كبيرة، والتي تتكون في حد ذاتها من وحدات كيميائية أصغر تسمى المونومرات. تشمل أمثلة البوليمرات البروتينات والسليلوز والأحماض النووية.
المادة المتشابكة ميكانيكيًا ثنائية الأبعاد عبارة عن بنية بوليمر تستخدم روابط ميكانيكية – روابط متشابكة فيزيائيًا، على عكس، على سبيل المثال، الروابط التساهمية، التي عادة ما تشكل البوليمرات وتتضمن مشاركة الإلكترونات. تحتوي المادة على 100 تريليون رابطة ميكانيكية لكل 0.16 بوصة مربعة (1 سم مربع)، وهي أعلى كثافة للروابط الميكانيكية على الإطلاق، وفقًا للباحثين.
وقال المؤلف المشارك في الدراسة ويليام ديشتل من جامعة نورث وسترن في بيان للجامعة: “لقد صنعنا بنية بوليمر جديدة تمامًا”. “إنه يشبه البريد المتسلسل من حيث أنه لا يمكن تمزيقه بسهولة لأن كل رابط من الروابط الميكانيكية يتمتع ببعض الحرية في الانزلاق. إذا قمت بسحبه، فإنه يمكن أن يبدد القوة المطبقة في اتجاهات متعددة. وإذا كنت تريد تمزيقها، فسيتعين عليك كسرها في العديد والعديد من الأماكن المختلفة. نحن مستمرون في استكشاف خصائصه ومن المحتمل أن ندرسه لسنوات».
يكمن التحدي الأكبر في إنشاء جزيئات متشابكة ميكانيكيًا في معرفة كيفية توجيه البوليمرات إلى تكوين روابط ميكانيكية. يعود الفضل إلى ماديسون باردو من جامعة نورث وسترن، الذي قاد الدراسة، في التوصل إلى طريقة جديدة لتحقيق ذلك. وضع الفريق المونومرات على شكل X في بنية بلورية (ترتيب مرتب محدد) وتفاعلوا مع البلورات مع جزيء آخر. أدى هذا التفاعل إلى إنشاء روابط ميكانيكية داخل البلورات. المنتج النهائي عبارة عن طبقات ثنائية الأبعاد من صفائح البوليمر المتشابكة المصنوعة من هذه الروابط بين المونومرات على شكل X، والتي ملأ الباحثون فجواتها بمزيد من المونومرات على شكل X.
قال ديشتل: “لقد كانت فكرة عالية المخاطر ومكافأة عالية حيث كان علينا أن نتساءل عن افتراضاتنا حول أنواع التفاعلات الممكنة في البلورات الجزيئية”. وتكون المادة الناتجة قوية بشكل لا يصدق، ومع ذلك تظل مرنة وسهلة المعالجة، لأن الصفائح الفردية من الجزيئات المتشابكة تنفصل عن بعضها البعض عندما يذوب البوليمر في مذيب.
وأضاف: “بعد تشكيل البوليمر، لا يوجد الكثير مما يربط الهيكل ببعضه البعض”. “لذلك، عندما نضعها في مذيب، تذوب البلورة، لكن كل طبقة ثنائية الأبعاد تتماسك معًا. يمكننا التعامل مع تلك الأوراق الفردية.
في حين أن الباحثين السابقين قد صنعوا بوليمرات مرتبطة ميكانيكيًا بكميات صغيرة جدًا كان من الصعب إنتاجها بكميات كبيرة، إلا أن الطريقة الجديدة للفريق قابلة للتطوير بشكل مدهش. لقد صنعوا أكثر من رطل واحد (0.5 كيلوجرام) من المادة، ويقترحون إمكانية صنع المزيد.
ومع ذلك، فحتى نسبة صغيرة من بنية البوليمر الجديدة يمكنها تحسين المواد الأخرى. صنع الباحثون مادة مكونة من 97.5% من ألياف Ultem (مادة شديدة الصلابة تنتمي إلى نفس عائلة الكيفلار) و2.5% من البوليمر ثنائي الأبعاد، وخلصوا إلى أن الخليط جعل الأولى أقوى بشكل ملحوظ.
وتابع ديشتل قائلاً: “لدينا الكثير من التحليلات التي يتعين علينا القيام بها، ولكن يمكننا أن نقول إنها تعمل على تحسين قوة هذه المواد المركبة”. “تقريبًا كل العقارات التي قمنا بقياسها كانت استثنائية بطريقة ما.”
قد تكون هذه المادة القوية والمرنة بشكل لا يصدق هي الدرع الذي ينتظره المستقبل.