ساخت ماده فوق سبک ۱۰ برابر مقاوم‌تر از فولاد
این ماده بسیار کاربردی از بلورهای میکروسکوپی گرافن ساخته شده است که پس از ذوب شدن یک شبکه بزرگ را تشکیل می‌دهد و ۱۰ برابر از فولاد قوی‌تر است.
موبنا، رضا خواجه‌وند – محققان از ساخت یک ماده اسفنجی بسیار سبک خبر دادند که از نازک‌ترین لایه‌های پلاستیکی موجود هم سبک‌تر است و در عین حال می‌تواند ۱۰ برابر نسبت به فولاد مقاوم‌تر باشد.
این ماده بسیار کاربردی از بلورهای میکروسکوپی گرافن ساخته شده است که پس از ذوب شدن یک شبکه بزرگ را تشکیل داده‌اند. این ساختار درهم تنیده که از نظر ظاهری شبیه به آبزیان اقیانوسی است، تقریبا توخالی است و می‌توان از آن به عنوان یک ماده اسفنجی یاد کرد. چگالی این ماده در مقایسه با گرافن معمولی تنها ۵ درصد است و به همین خاطر نسبت به ماده اصلی تشکیل دهنده خود هم سبک‌تر ساخته شده است.
دانشمندان پس از آزمایش روی مواد مختلف سراغ گرافن رفتند. خواص جادویی این ماده به گونه‌ای است که قابلیت‌های آن برحسب تعداد اتم‌های به کار گرفته شده در ماده تغییر نمی‌کند. راز اصلی مقاومت گرافن در نحوه چیدمان اتم‌های آن است و دانشمندان هم‌اکنون برای نخستین بار به این مسئله پی برده‌اند.
«مارکوس بوهلر» یکی از دانشمندان علوم مواد در دانشگاه MIT گفت: «شما به راحتی می‌توانید این ماده را با هر چیز دیگر عوض کنید. شکل هندسی و قابلیت انعطاف آن مهم‌ترین نکته‌ای است که در این زمینه مورد توجه قرار می‌گیرد. این پتانسل باعث می‌شود تا به راحتی بتوانیم این ماده را با هر شیئ دیگری که پیرامون ما وجود دارد عوض کنیم».
گرافن از ورق‌ها و لایه‌های اتم کربن ساخته می‌شود و به گفته دانشمندان مقاوم‌ترین ماده روی کره زمین است. دستکم می‌توان گفت در لایه‌های دوبُعدی هیچ ماده‌ای مقاوم‌تر از گرافن وجود ندارد. در شرایط آزمایشگاهی نیز این مسئله ثابت شده است که ورق‌های فوق‌باریک گرافن که ضخامت آنها معادل یک اتم محاسبه می‌شود، قابلیت‌های الکتریکی منحصر به‌فردی دارند و مقاومت آنها بسیار زیاد است. متاسفانه این قابلیت‌ها به راحتی در دسترس نیستند و نمی‌توان آنها را در اشکال سه‌بُعدی مورد استفاده قرار داد تا اشیاء بسیار مقاوم ساخته شوند.
بر اساس سیستم‌های شبیه‌سازی شده پیشنهاد شده بود که چرخش اتم‌های گرافن در جهت‌های مختلف می‌تواند مقاومت آن را در حالت سه‌بُعدی هم افزایش دهد. محققان در بررسی‌های خود به این نتیجه رسیدند که می‌توانند این مواد را به صورت سه‌بعدی در شرایط آزمایشگاهی بسازند. البته نتیجه فعالیت دانشمندان صدها یا هزاران برابر از آنچه که پیش‌بینی می‌کردند ضعیف‌تر بود.
محققان برای آنکه مشکلات موجود را از پیش‌رو بردارند، پایه‌های اصلی مطالعات خود را تغییر دادند. در روش جدید ساختار گرافن در سطح اتمی مورد بررسی قرار گرفت. با این روش محققان موفق شدند مدل ریاضی ارایه دهند که می‌تواند نحوه ساخت مواد بسیار مقاوم را پیش‌بینی کند. این دانشمندان سپس مقدار مشخصی گرما و فشار را به ماده وارد کردند تا حالت منحنی پیدا کند و سازه با پیچ و خم در اختیار گرفته شود. سازمان فضایی ناسا نخستین بار در دهه ۱۹۷۰ میلادی موفق به ساخت ماده مشابه شده بود.
دکتر بوهلر در این خصوص گفت: «باید گفت ساخت این ماده با روش‌های معمول کارخانه‌ای عملا غیرممکن است».
محققان در توضیحات خود اعلام کردند میزان مقاومت ماده نهایی برحسب وسعت مساحت سطحی نسبت به حجم ماده تغییر می‌کند. نتایج این بررسی که در آخرین شماره از نشریه بین‌المللی Science Advance به چاپ رسیده است نشان داد در طبیعت پیرامون ما، در موجودات دریایی از جمله مرجان‌ها جانداران تک‌سلولی وسعت مساحت سطحی نسبت به حجم جانور بسیار زیاد است و همین مسئله باعث می‌شود مقاومت بدن آنها به میزان بسیار زیاد افزایش یابد.
«ژائو کین» یکی از محققان حاضر در این بررسی که در دانشگاه MIT در زمینه مهندسی محیط تدریس می‌کند توضیح داد: «زمانی که موفق شدیم مدل‌های سه‌بُعدی از این ساختار را تولید کنیم، به این مسئله توجه کردیم که چه محدودیت‌هایی پیش روی ما وجود دارد تا بتوانیم قوی‌ترین ماده موجود در جهان را بسازیم».
با این توضیحات دانشمندان موفق شدند چند سری مدل رایانه‌ای ارایه دهند و سپس میزان مقاومت و فشرده‌سازی آنها را تحلیل کنند. در پایان این بررسی قوی‌ترین ماده‌ای که محققان موفق به ساخت آن شدند نسبت سبک‌ترین کیسه پلاستیکی تراکم کمتری داشت و البته از فولاد مقاوم‌تر بود.
اگرچه این ماده در شرایط آزمایشگاهی ساخته شد، ولی دانشمندان هنوز موفق نشدند روشی ارایه دهنده تا در شرایطی کارخانه‌ای ماده مذکور را به تولید انبوه برسانند. با این وجود برخی روش‌ها پیشنهاد شده است که بر اساس آن می‌توان ماده مذکور را در حجم بالاتر به تولید رساند.
به عنوان مثال ذرات به کار رفته در ماده مذکور می‌توانند به عنوان قالب‌های گرافنی با رسوب بخارهای شیمیایی مورد استفاده قرار بگیرند. این قالب‌ها دور مواد شیمیایی به کار می‌روند تا ضمن داشتن مقاومت بالا، وزن کم داشته باشند.
محققان اعلام کردند در آینده نزدیک پل‌های بزرگ، بدنه فضاپیما و … می‌توانند از این ماده فوق سبک و فوق مقاوم ساخته شوند و با بررسی‌های بیشتر می‌توان هزینه تولید آن را به میزان قابل ملاحظه کاهش داد.
