پلیمر خود ترمیم شونده و محافظت از فضاپیماها

توسعه پلیمر خود ترمیم شونده برای محافظت از هواپیماها و فضاپیماها

هدف اصلی از این مطالب، طراحی ماده‌ای است که از سازه‌هایی مانند ماهواره‌های در حال گردش و وسایل نقلیه در فضا محافظت کند و کاربردهایی برای تجهیزات نظامی و زره بدن در زمین نیز داشته باشد. محققان در ایالات متحده یک ماده پلیمری پویا توسعه داده‌اند که می‌تواند پس از آسیب دیدن، با تغییر حالت بین حالت جامد و مایع، خود را ترمیم کند و همچنین به طور بالقوه می‌تواند از هواپیماها، فضاپیماها و سایر کاربردها نیز محافظت کند.

دانشمندان مواد در دانشگاه تگزاس A&M این پلیمر را توسعه داده‌اند که به گفته آنها دارای خواص خود ترمیمی است که قبلا هرگز مشاهده نشده است. هنگامی که یک پرتابه با سرعت بالا به آن برخورد می‌کند، این ماده به طرز چشمگیری کشیده شده و به پرتابه اجازه می‌دهد تا از آن عبور کند و در عین حال، حفره‌ای بسیار کوچکتر از خود پرتابه ایجاد می‌کند.

سوتلانا سوخیشویلی، استاد دانشکده علوم و مهندسی مواد که این فیلم پلیمری را به همراه همکارش ادوین توماس و دانشجوی فارغ‌ التحصیل آن زمان، ژن سانگ، توسعه داده است، گفت: "این اولین بار است که یک ماده در هر مقیاسی این رفتار را از خود نشان می‌دهد". یافته‌های آنها در مجله متریالز تودی شماره مارس/آوریل منتشر شد. این پلیمر به دسته‌ای از مواد به نام شبکه‌های تطبیقی کووالانسی (CAN) تعلق دارد و به طور خاص یک پلیمر دیلز-آدلر (DAP) است که به دلیل شبکه‌های پیوند کووالانسی پویای آن که می‌توانند بشکنند و دوباره تشکیل شوند، نامگذاری شده است. از آنجا که شبکه‌های دیلز-آدلر دیگری نیز وجود دارند، شیمی، توپولوژی و کیفیت خود ترمیمی این DAP خاص بدیع است.

وقتی یک پرتابه با سرعت بالا به این لایه پلیمری جامد برخورد می‌کند، ذوب شده و بخش زیادی از انرژی جنبشی تولید شده توسط پرتابه را جذب می‌کند. این امر باعث می‌شود که لایه پلیمری کشیده و با ادامه حرکت پرتابه، مایع شود و در نهایت، به لایه پلیمری نفوذ کند. پس از نفوذ، پلیمر به سرعت خنک شده، پیوندهای کووالانسی آن تشکیل می‌شوند و با باقی ماندن تنها یک حفره کوچک، به حالت جامد خود باز می‌گردد. توماس معتقد است هدف اصلی این بود که ببینیم آیا می‌توانیم همزمان ماده‌ای تولید کنیم که انرژی جنبشی زیادی را در واحد جرم هدف از پرتابه پرسرعت جذب کند و قادر به ترمیم بسیار سریع ناحیه آسیب دیده نیز باشد. ما می‌خواستیم ماده پس از برخورد همچنان قادر به انجام عملکرد مورد نظر خود، مانند حمل هوا یا مایعات و حفظ آب‌ بندی در برابر از دست دادن چنین مایعاتی، باشد.

ساختار DAP از زنجیره‌های پلیمری بلندی تشکیل شده است که حاوی پیوندهای دوگانه کربنی هستند و در صورت اعمال کرنش و حرارت شدید، می‌شکنند اما پس از سرد شدن به سرعت دوباره تشکیل می‌شوند. سانگ، که برای تحقیقات دکترای خود روی این پروژه کار کرده و نویسنده اول مقاله است، گفت: "زنجیره‌های بلند پلیمری در پارچه را مانند یک کاسه سوپ رشته فرنگی رامن در نظر بگیرید. می‌توانید آن را با چوب غذاخوری هم بزنید، سپس فریز کنید. وقتی آن را از حالت انجماد خارج کردید، می‌توانید آن را هم بزنید، سپس دوباره فریز کنید. همان مواد اولیه قبلی را خواهد داشت، فقط ظاهر آن کمی متفاوت است".

در طول آزمایش، تیم تحقیقاتی از آزمایش ضربه پرتابه القایی لیزری (LIPIT) برای پرتاب یک پرتابه سیلیسی به قطر ۳.۷ میکرومتر به لایه نازکی از پلیمر (۷۵ تا ۴۳۵ نانومتر) استفاده کرد. آنها ضربه را با یک دوربین فوق سریع ثبت کرده و نتایج را با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ کانفوکال روبشی لیزری و نانو طیف‌ سنجی مادون قرمز تجزیه و تحلیل کردند. در ابتدا، سانگ نتوانست هیچ حفره‌ای در پلیمر هدف پیدا کند و این موضوع سوالاتی را در مورد آزمایش مطرح کرد. تنها زمانی که نمونه را زیر طیف ‌سنج مادون قرمز نانو که تجزیه و تحلیل شیمیایی را با وضوح بالا ترکیب می‌کند، بررسی کرد توانست حفره‌های ریز را تشخیص دهد. این پدیده هنوز در سطح ماکرو قابل تکرار نیست زیرا نرخ کرنش در حین آسیب دیدن یک ماده هدف بسیار نازک تحت ضربه در مقیاس نانو به طور چشمگیری بالاتر است.

سانگ گفت: "اگر این نرخ کرنش واقعا بالا باشد، مواد اغلب رفتار غیرمنتظره‌ای دارند که مردم معمولا در شرایط عادی نمی‌بینند. با کمک دستگاه LIPIT که ما استفاده می‌کنیم، از نرخ کرنشی صحبت می‌کنیم که چندین برابر بیشتر از گلوله‌ها و اهداف در مقیاس معمولی است. از این منظر، مواد بسیار متفاوت رفتار می‌کنند".

کاربردهای بالقوه شامل مقاوم‌تر کردن پنجره‌های فضاپیما در برابر برخوردهای ریز شهاب ‌سنگ‌ها می‌شود. وسایل نقلیه فضایی اغلب با ریز شهاب ‌سنگ‌هایی که با سرعت ۱۰ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند، مواجه می‌شوند که می‌توانند حفره‌های قابل مشاهده‌ای در پنجره‌ها ایجاد کنند. پنجره‌ای که با لایه‌ای از این پلیمر ساخته شده باشد، می‌تواند به طور بالقوه آسیب‌هایی حتی کوچکتر از خود شهاب ‌سنگ را تحمل کند.

توماس و سوخیشویلی تحقیقات خود را با ترکیبات پلیمری، دماها و پاسخ‌های تنشی مختلف ادامه می‌دهند. آنها در حال طراحی DAP هایی هستند که می‌توانند با شکستن پیوندهایی که به سرعت تشکیل شده، انرژی جنبشی را جذب کنند و یک پرتابه را مجبور کنند تا چندین بار این پیوندها را بشکند تا در نهایت ماده بتواند خود را ترمیم کند. به گفته توماس، تا به امروز هیچ ماده‌ای پاسخ زمانی لازم برای تغییر شکل، شکستن، اصلاح و سپس تغییر شکل، شکستن و اصلاح مجدد در بازه زمانی زیر میکروثانیه از یک رویداد بالستیک را ندارد.

به طور کلی، باتوجه به پژوهش‌های توماس و همکارانش، باید گفت پلیمرهای خود ترمیم ‌شونده (Self-healing Polymers) نسل جدیدی از مواد هوشمند هستند که توانایی ترمیم آسیب‌های سطحی یا ساختاری خود را بدون دخالت خارجی دارند. این ویژگی منحصر به ‌فرد آنها را به گزینه‌ای جذاب در صنایع مختلف به ویژه هوافضا تبدیل کرده است. برخی از مهم‌ترین مزایای این پلیمرها عبارتد از:

1. افزایش عمر مفید محصولات: با ترمیم ترک‌ها و خراش‌ها، از گسترش آسیب جلوگیری کرده و نیاز به تعویض قطعات یا تعمیرات پرهزینه را نیز به حداقل می‌رسانند. علاوه براین، برای کاربردهای طولانی‌ مدت در شرایط سخت مناسب است.

2. بهبود ایمنی و قابلیت اطمینان: در صنایع هوافضا حفظ یکپارچگی ساختاری در قطعات نهایی حیاتی است. پلیمرهای خود ترمیم‌ شونده می‌توانند از بروز شکست‌های ناگهانی در این قطعات جلوگیری کنند.

3. صرفه جویی اقتصادی: پلیمرهای خود ترمیم شونده با کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات، کاهش ضایعات ناشی از خرابی مواد نه تنها به صرفه جویی در هزینه‌ها کمک می‌کنند بلکه برای ساخت تجهیزات الکترونیکی در بخش هوافضا نیز مناسب هستند.

4. سازگاری با محیط زیست: کاهش تولید زباله‌های صنعتی، افزایش پایداری مواد و کاهش مصرف منابع طبیعی و همچنین امکان طراحی مواد زیست ‌تخریب‌ پذیر با قابلیت خود ترمیمی از دیگر مزایای پلیمرهای خود ترمیم شونده هستند.

5. الهام‌ گرفته از طبیعت و فناوری‌های نوین: پلیمرهای خود ترمیم شونده مشابه با عملکرد پوست انسان در ترمیم زخم‌ها عمل می‌کنند. به عبارت دیگر، در این پلیمرها بر ترکیب علم مواد با نانوتکنولوژی و بیوشیمی برای ساخت پلیمرهای هوشمند تکیه شده است.