نجح علماء في ابتكار بلاستيك يعادل الفولاذ - قوي ولكن ليس ثقيلاً. البلاستيك، الذي يطلق عليه الكيميائيون أحيانًا اسم البوليمرات، هو فئة من الجزيئات طويلة السلسلة تتكون من وحدات متكررة قصيرة تسمى المونومرات. وعلى عكس البوليمرات السابقة من نفس القوة، فإن المادة الجديدة تأتي فقط في شكل غشاء. كما أنها أكثر إحكامًا بمقدار 50 مرة من أكثر أنواع البلاستيك غير المنفذة في السوق. ومن الجوانب الجديرة بالملاحظة الأخرى لهذا البوليمر بساطة تركيبه. وتتطلب العملية، التي تتم في درجة حرارة الغرفة، مواد رخيصة فقط، ويمكن إنتاج البوليمر بكميات كبيرة في صفائح كبيرة يبلغ سمكها نانومتر فقط. وأبلغ الباحثون عن نتائجهم في 2 فبراير في مجلة نيتشر.
المادة المعنية تسمى بولي أميد، وهي شبكة مترابطة من وحدات جزيئية أميدية (الأميدات هي مجموعات كيميائية نيتروجينية مرتبطة بذرات كربون مرتبطة بالأكسجين). وتشمل هذه البوليمرات كيفلر، وهي ألياف تستخدم في صنع السترات الواقية من الرصاص، ونومكس، وهو نسيج مقاوم للحريق. ومثل كيفلر، ترتبط جزيئات البولي أميد في المادة الجديدة مع بعضها البعض من خلال روابط هيدروجينية على طول سلاسلها بالكامل، مما يعزز القوة الإجمالية للمادة.
وقال مايكل سترانو، المؤلف الرئيسي للدراسة وهو مهندس كيميائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "إنها تلتصق ببعضها البعض مثل الفيلكرو". ويتطلب تمزيق المواد ليس فقط كسر السلاسل الجزيئية الفردية، ولكن أيضًا التغلب على الروابط الهيدروجينية العملاقة بين الجزيئات التي تتخلل حزمة البوليمر بأكملها.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبوليمرات الجديدة تشكيل رقائق تلقائيًا. وهذا يجعل المادة سهلة المعالجة، حيث يمكن تحويلها إلى أغشية رقيقة أو استخدامها كطلاء سطحي للأغشية الرقيقة. تميل البوليمرات التقليدية إلى النمو كسلاسل خطية، أو تتفرع وترتبط بشكل متكرر في ثلاثة أبعاد، بغض النظر عن الاتجاه. لكن بوليمرات سترانو تنمو بطريقة فريدة في ثنائية الأبعاد لتشكيل صفائح نانوية.
هل يُمكن تجميع البيانات على ورقة؟ اتضح، في معظم الحالات، أنه لا يُمكن تحقيق ذلك حتى بدأ عملنا، قال سترانو. "لذا، وجدنا آلية جديدة". في هذا العمل الأخير، تغلّب فريقه على عقبة لجعل هذا التجميع ثنائي الأبعاد ممكنًا.
والسبب في أن البولي أميدات لها بنية مستوية هو أن تركيب البوليمر ينطوي على آلية تسمى القالب التلقائي: فعندما يطول البوليمر ويلتصق بكتل البناء الأحادية، فإن شبكة البوليمر المتنامية تحفز المونومرات اللاحقة على الاتحاد فقط في الاتجاه الصحيح لتعزيز اتحاد البنية ثنائية الأبعاد. وأظهر الباحثون أنهم يستطيعون بسهولة طلاء البوليمر في المحلول على رقائق لإنشاء رقائق بعرض بوصة واحدة وسمكها أقل من 4 نانومتر. وهذا ما يقرب من مليون من سمك ورق المكتب العادي.
ولقياس الخصائص الميكانيكية للمادة البوليمرية، قام الباحثون بقياس القوة المطلوبة لعمل ثقوب في ورقة معلقة من المادة بإبرة دقيقة. وهذا البولي أميد هو في الواقع أكثر صلابة من البوليمرات التقليدية مثل النايلون، وهو النسيج المستخدم في صنع المظلات. ومن المثير للدهشة أن الأمر يتطلب ضعف القوة لفك هذا البولي أميد الفائق القوة مثل الفولاذ من نفس السمك. ووفقاً لسترانو، يمكن استخدام المادة كطلاء واقٍ على الأسطح المعدنية، مثل قشور السيارات، أو كمرشح لتنقية المياه. وفي الوظيفة الأخيرة، يجب أن يكون غشاء المرشح المثالي رقيقاً ولكنه قوي بما يكفي لتحمل الضغوط العالية دون تسريب الملوثات الصغيرة المزعجة إلى إمداداتنا النهائية - وهو مناسب تماماً لهذه المادة البولي أميد.
في المستقبل، يأمل سترانو في توسيع نطاق طريقة البلمرة لتشمل بوليمرات مختلفة تتجاوز نظير الكيفلار هذا. وقال: "البوليمرات موجودة في كل مكان حولنا، فهي تفعل كل شيء". وأضاف: "تخيل تحويل أنواع عديدة ومختلفة من البوليمرات، حتى تلك الغريبة القادرة على توصيل الكهرباء أو الضوء، إلى أغشية رقيقة يمكنها تغطية مجموعة متنوعة من الأسطح". وقال ستانو: "بفضل هذه الآلية الجديدة، ربما يمكن الآن استخدام أنواع أخرى من البوليمرات".
في عالم محاط بالبلاستيك، فإن المجتمع لديه سبب للإثارة بشأن بوليمر جديد آخر تكون خصائصه الميكانيكية غير عادية على الإطلاق، كما قال سترانو. هذا الأراميد متين للغاية، مما يعني أنه يمكننا استبدال البلاستيك اليومي، من الدهانات إلى الأكياس إلى عبوات الطعام، بمواد أقل وأقوى. وأضاف سترانو أنه من وجهة نظر الاستدامة، فإن هذا البوليمر ثنائي الأبعاد فائق القوة هو خطوة في الاتجاه الصحيح لتحرير العالم من البلاستيك.
شي إن كيم (كما يطلق عليها عادة كيم) هي كاتبة علمية مستقلة من أصل ماليزي ومتدربة تحريرية في مجلة Popular Science في ربيع 2022. كتبت على نطاق واسع حول مواضيع تتراوح من الاستخدامات الغريبة لأنسجة العنكبوت - البشر أو العناكب نفسها - إلى جامعي القمامة في الفضاء الخارجي.
لم تصل مركبة الفضاء ستارلاينر التابعة لشركة بوينج بعد إلى محطة الفضاء الدولية، لكن الخبراء متفائلون بشأن رحلة تجريبية ثالثة.
نحن مشاركون في برنامج Amazon Services LLC Associates، وهو برنامج إعلاني تابع مصمم لتزويدنا بطريقة لكسب الرسوم من خلال الربط بـ Amazon.com والمواقع التابعة لها. يشكل تسجيل أو استخدام هذا الموقع قبولاً لشروط الخدمة الخاصة بنا.
وقت النشر: ١٩ مايو ٢٠٢٢