MIT engineers print synthetic "metamaterials" that are both strong and stretchy 

سال‌ها در دنیای متامتریال‌ها (فرامواد) اصل حاکم این بود که هرچه ماده سخت‌تر و مستحکم‌تر، بهتر است. متامتریال‌ها مواد مهندسی‌شده‌ای هستند که با ساختارهای بسیار ریز در مقیاس میکرومتر یا نانومتر، خواصی فراتر از مواد طبیعی از خود نشان می‌دهند. تمرکز اصلی پژوهش‌ها همیشه بر افزایش استحکام و سختی بوده، اما این رویکرد همیشه یک هزینه داشت: کاهش شدید انعطاف‌پذیری و کشسانی ماده.
حالا پژوهشگران دانشگاه MIT با یک نوآوری هوشمندانه این محدودیت قدیمی را شکسته‌اند. آنها متامتریالی ساخته‌اند که همزمان بسیار مستحکم است و می‌تواند تا چند برابر طول اولیه خود کشیده شود بدون اینکه کاملاً از هم بپاشد. این پیشرفت می‌تواند تحولی بزرگ در صنایع نساجی، منسوجات فنی و مواد هوشمند ایجاد کند؛ جایی که همیشه به پارچه‌هایی نیاز بوده که هم مقاوم در برابر پارگی باشند و هم انعطاف‌پذیر و راحت. این پژوهش که در مجله معتبر Nature Materials منتشر شده، توسط کارلوس پورتلا (دانشیار MIT) و تیمش به رهبری جیمز اوتاما سورجادی انجام گرفته است.

الهام از طبیعت: ایده دو شبکه از هیدروژل‌ها
پورتلا و همکارانش از هیدروژل‌های دو شبکه‌ای الهام گرفتند. هیدروژل‌ها مواد نرم و ژله‌مانندی هستند که عمدتاً از آب تشکیل شده‌اند، اما انواع پیشرفته آنها با ترکیب دو شبکه پلیمری متفاوت (یکی سخت و یکی نرم) همزمان نرم، کشسان و بسیار مقاوم در برابر شکست می‌شوند.
تیم MIT همین مفهوم را به دنیای متامتریال‌ها برد: به جای مولکول‌ها، از ساختارهای میکروسکوپی استفاده کردند تا ماده‌ای بسازند که پایه آن پلیمری صلب/سخت و شکننده (شبیه پلکسی‌گلاس) است، اما با طراحی هوشمند، کشسانی بالایی پیدا کند.
پلکسی‌گلاس (یا پلکسی گلاس) در واقع نام تجاری یک نوع پلاستیک شفاف و بسیار پرکاربرد است که به زبان علمی پلی‌متیل متاکریلات (PMMA) نامیده می‌شود. این ماده همان چیزی است که در زبان روزمره به آن ورق آکریلیک، شیشه آکریلیک یا طلق شفاف هم می‌گویند.

ساختار کلیدی: شبکه دوگانه
متامتریال جدید از ترکیب دو معماری ریزمقیاس ساخته شده است:
- شبکه اول (سخت): داربست محکم از میله‌ها و خرپاهای میکروسکوپی که استحکام اصلی را تأمین می‌کند.
- شبکه دوم (نرم): الگویی از کویل‌ها، فنرها و الیاف بافته‌شده که دور میله‌های سخت پیچیده شده‌اند و مانند یک بافت نرم عمل می‌کنند.
هر دو شبکه از یک پلیمر آکریلیکی یکسان ساخته شده‌اند و با فناوری پیشرفته چاپ لیزری دو فوتونی به صورت همزمان چاپ می‌شوند. این روش دقت بسیار بالایی دارد و امکان ساخت ساختارهای پیچیده در ابعاد چند میکرون تا میلی‌متر را فراهم می‌کند.
نتیجه ماده‌ای است که می‌تواند بیش از چهار برابر طول اولیه خود کشیده شود بدون شکست کامل (در برخی آزمون‌ها تا سه برابر گزارش شده، یعنی حدود ۱۰ برابر بیشتر از متامتریال‌های معمولی با همان پلیمر).

جهت مشاهده ی ویدئو کلیک کنید 

 عملکرد مکانیکی: چگونه این ماده پارگی را به تأخیر می‌اندازد؟
وقتی نیروی کششی اعمال می‌شود:
ابتدا میله‌های سخت بار را تحمل می‌کنند.  
با ایجاد ترک در میله‌ها، قطعات شکسته همراه شبکه بافته‌شده حرکت می‌کنند.  
الیاف نرم در هم قفل می‌شوند، اصطکاک افزایش می‌یابد و انرژی زیادی تلف می‌شود.
این درهم‌تنیدگی مانند توده‌ای از اسپاگتی دور یک داربست عمل می‌کند و مانع گسترش سریع ترک می‌شود. حتی با افزودن نقص‌های کنترل‌شده (حفره‌ها یا نقاط ضعف استراتژیک)، کشسانی تقریباً دو برابر و انرژی جذب‌شده تا سه برابر افزایش می‌یابد.
این ویژگی دقیقاً همان چیزی است که در منسوجات مقاوم در برابر پارگی نیاز داریم: ماده‌ای که هم محکم باشد و هم اجازه کشش و خمش بدهد بدون اینکه ناگهان پاره شود.

کاربردهای بالقوه در صنعت نساجی و منسوجات فنی
این طراحی دوگانه فراتر از پلیمرها قابل تعمیم است و می‌تواند به سرامیک‌ها، شیشه، فلزات و مواد کامپوزیتی نیز اعمال شود. در حوزه نساجی، چشم‌اندازهای هیجان‌انگیزی وجود دارد:
- پارچه‌های ضدپارگی و فوق‌مقاوم برای لباس‌های حفاظتی (نظامی، آتش‌نشانی، ورزشی)، کیسه‌های صنعتی یا چادرهای مقاوم  
- منسوجات هوشمند و انعطاف‌پذیر برای پوشاک پزشکی، جایی که نیاز به استحکام همراه با راحتی و تنفس‌پذیری است  
- ساختارهای نساجی مهندسی‌شده برای فیلترها، غشاها یا کامپوزیت‌های سبک با مقاومت بالا در برابر ضربه و کشش  
- پارچه‌های پاسخگو به محیط؛ مثلاً با استفاده از دو شبکه با رفتار حرارتی متفاوت، پارچه‌ای که در سرما سفت و محافظ و در گرما نرم و متخلخل شود
تیم MIT همچنین یک چارچوب محاسباتی توسعه داده که امکان پیش‌بینی رفتار مکانیکی این متامتریال‌ها را بر اساس الگوی شبکه‌های سخت و نرم فراهم می‌کند. این ابزار می‌تواند طراحان نساجی را در بهینه‌سازی سریع محصولات یاری دهد.

افقی روشن برای آینده مواد هوشمند نساجی
کارلوس پورتلا می‌گوید: «ما در حال گشودن قلمرویی جدید در متامتریال‌ها هستیم. می‌توان متامتریال فلزی یا سرامیکی با این شبکه دوگانه چاپ کرد و به مزایای بزرگی دست یافت: انرژی بیشتر برای شکست و کشسانی بسیار بالاتر.»
این پژوهش نشان می‌دهد چگونه الهام از مواد نرم می‌تواند مواد سخت را چندمنظوره کند. برای صنعت نساجی، این یعنی گذار از پارچه‌های سنتی به مواد هوشمندی که همزمان مقاوم، سبک، انعطاف‌پذیر و حتی پاسخگو به شرایط محیطی هستند. آینده‌ای که در آن لباس‌ها نه تنها بدن را می‌پوشانند، بلکه از آن محافظت هوشمندانه می‌کنند و در برابر فشارهای شدید دوام می‌آورند، اکنون بسیار نزدیک‌تر از همیشه شده است. این نوآوری MIT شاید آغاز عصر جدیدی برای منسوجات فنی و پیشرفته باشد؛ عصری که در آن استحکام و راحتی دیگر با هم در تضاد نیستند، بلکه مکمل یکدیگر شده‌اند.

 

♦ منابع مرتبط :

https://news.mit.edu►

♦ لینک اشتراک گذاری :

https://B2n.ir/nassajyar02001►

♦ مطالب پیشنهادی :

 - ابداع نخ ابریشمی غیرسمی برای تولید برق از لباس

- کشف ابریشم درخشان و شگفت‌انگیز

-نصب و راه اندازی اولین دستگاه بسته بندی اتوماتیک بوبین نخ در شرکت صنایع نساجی ایرانیان مهر سپاهان

- ورود الیاف ابریشم عنکبوتی Kraig Labs به زنجیره تأمین پوشاک 

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.