جدیدخود ترمیمی : زمان ساخت محصولاتی با عمر نامحدود رسیده است!
مقدمه
چه بخواهید چه نخواهید لازم است در آینده ای نزدیک، کفش هایی را که برایشان پول زیادی پرداخته اید، عوض کنید. چون پاره شده اند و یا دیگر آن زیبایی و کارایی قبل را ندارند. یا ممکن است گوشی هوشمندتان به طور تصادفی از دستتان رها شود و ... ! آن را از روی زمین بردارید و ببینید اسکرینِ نازنینِ اسمارت فونتان پر از ترک است. اما به لطف استفاده از مواد خود ترمیم شونده در آینده ای نزدیک دیگر نگران این حوادث نخواهیم بود ...
مطمئنا تاکنون در فیلم های سینمایی و انیمیشن ها جهان های تخیلی زیادی را دیده اید. جهان هایی که هرکدام ویژگی های منحصر به فرد خود را دارند. از جهان فانتزی نارنیا و هری پاتر گرفته تا جهان ابرقهرمانی مارول.
اما تا حالا به جهانی فکر کرده اید که در آن، مواد مختلف خودشان را ترمیم کنند؟ درست مانند گیاهان یا حیوانات که زخم های خود را التیام می بخشند. طبق نظر متخصصان، اولین محصولات با خاصیت “خود ترمیمی” ممکن است همین حوالی باشند!
آقای وایت، استارت قضیه را می زند!
اوایل دهه 60 میلادی بود که نام “مواد خودترمیم شونده” مطرح شد. جایی که محققین جماهیر شوروی، مقالاتی تئوری در این باره منتشر کردند. اما این پژوهش “اسکات وایت” از دانشگاه ایلینویز در سال ۲۰۰۱ بود که یک استارت قوی به این ماجرا زد.
گروه آقای وایت، روی یک پلیمر مصنوعی کار می کرد که با کپسول های میکروسکوپی همراه بود. این کپسول ها حاوی مایعی به عنوان عامل ترمیمی (liquid healing agent) بودند. زمانی که یک ترک باعث گسیختگی ماده می شد، این عامل ترمیم رها می شد.
هنگامی که این عامل با یک کاتالیزور که در ماده جاسازی شده بود تماس پیدا می کرد، یک واکنش شیمیایی در دو سطح ترک انجام می شد که آن ها را به هم متصل می کرد. یعنی دیگر خبری از ترک نبود و البته ساختار پلیمری نهایی هنوز ۷۵ درصد از چقرمگی اصلی خود را داشت.
فناوری توسعه می یابد …
در دهه گذشته، این تیم تحقیقاتی فعالیت های خود را در راستای تولید سیستم های کپسولی توسعه داده است. اخیرا این گروه با استفاده از تولید این میکروکپسول ها موفق به توسعه مدارهای الکتریکی خود ترمیم شونده شده اند. این میکروکپسول ها با تعبیه شدن در مداری از جنس طلا، در واکنش به آسیب فلز مایعی را رها می کنند. به این ترتیب هدایت الکتریکی مدار مجددا احیا می شود. یعنی ما به تراشه های الکترونیکی با خاصیت خود ترمیم شوندگی یک گام نزدیک تر شده ایم.
دکتر “بنجامین بلازیک” محقق همکار در این پروژه، اکنون در آزمایشگاه ملی “آرگون” توضیح می دهد که این مدارات می توانند در ادوات نظامی استفاده شوند. چرا که این ادوات همواره در معرض تنش های شوکی شدید قرار خواهند گرفت. او در این باره می گوید:
یک شکست مکانیکی ناشی از تنش های ترمومکانیکی را تصور کنید. البته نه یک شکست معمولی روی یک سازه زمینی. به یک قطعه در یک سفینه فضایی فکر کنید. یا اصلا چرا راه دوری برویم؟ یک هواپیمای در حال فرود را تصور کنید که ناگهان قطعه ای در موتور آن دچار شکست می شود. مشخصا هیچ راهی برای تعمیر دستی و جایگزینی این قطعه وجود ندارد. به جز این که آن قطعه توسط خودش تعمیر شود!
نوبت به تجاری سازی می رسد
گروه ایلینویز در حال حاضر با شرکت Autonomic Materials وارد همکاری شده است. ماحصل این همکاری افزایش سرمایه این گروه تجاری به میزان ۴ میلیون دلار (۲.۴ میلیون پوند) بوده است!
“جو جولیانی” مدیر اجرایی این شرکت به بیبیسی گفته است که اولین کاربردهای سیستم های میکروکپسولی در پوشش ها، رنگ ها و چسب هایی است که مخصوص محیط های خورنده طراحی می شوند. جولیانی معتقد است فکر کردن به خوردگی وقتی چالش برانگیز می شود که شما می فهمید در سراسر جهان، خوردگی بیش از ۵۰۰ میلیارد دلار (۳۱۲ میلیارد پوند) در سال خسارت به بار می آورد!
در این راستا صنایع نفت و گاز از صنایع کلیدی هستند که به شدت به این تکنولوژی نیازمندند. محصولات خود ترمیم شونده به احتمال زیاد در خطوط لوله و پالایشگاه ها به کار گرفته خواهند شد. پیش بینی می شود این محصولات به طور بالقوه چندین سال بیشتر از همتایان معمولی خود دوام می آورند و مخارج تعمیر و نگهداری را کاهش می دهند. جولیانی در این باره می گوید:
وقتی چنین قطعه ای دارد طول عمر طولانی خود را طی می کند، شما با خیال راحت از پس انداز زیادی که کرده اید لذت خواهید برد. چرا که در صنایع نفت و گاز اگر یک قطعه کلیدی از سرویس خارج شود، می تواند ۵۰۰،۰۰۰ دلار (۳۱۲،۰۰۰ پوند ) یا ۱ میلیون دلار (۶۲۴،۰۰۰ پوند) هزینه داشته باشد.
وسایل نقلیه نظامی، ماشین ها و کشتی ها استفاده هایی دیگر از پوشش هایی با خاصیت خود ترمیم شوندگی هستند. این شرکت در حدود ۳۰ محصول دارد که در مرحله آزمایش و توسعه قرار دارند و انتظار می رود که اولین حضور تجاری خود را در بازار جهانی حدود شش ماه آینده تجربه کند.
اسکات وایت، از انستیتو بکمن دانشگاه ایلینویز به بیبیسی نیوز گفته است که در دهه گذشته، شاهد انفجار علاقه به مواد خود ترمیم شونده بوده ایم! همین که ۲۰۰ مقاله علمی با این موضوع در سال گذشته منتشر شده است، گواهی بر این ادعاست. امروزه دانشمندان تقریبا روی همه چیز از پلیمرها و کامپوزیت ها گرفته تا فلزات و سرامیک ها کار می کنند تا قابلیت خود ترمیمی را در آن ها ایجاد کنند.
دیگر روش های خود ترمیم شوندگی …
از سال ۲۰۰۱ تاکنون، به غیر از میکروکپسول های به کار گرفته شده در قطعات خودترمیم شونده، دو رویکرد دیگر هم وجود داشته است. رویکرد اول، با در نظر گرفتن سیستم گردش خون به عنوان یک سیستم الهام بخش، یک سری روش های آوندی (vascular methods) توسعه داده است.
این روش ها مبتنی بر شبکه ای از کانال ها در مواد (مانند رگ ها) برای رساندن عامل ترمیم به محل آسیب هستند. اما رویکرد بعدی، توسعه سیستم های ذاتی (intrinsic systems) است. در این سیستم ها از ماهیت قابل بازگشت پیوندهای شیمیایی خاص بهره برداری می شود تا توانایی بهبود، مستقیما به مواد بخشیده شود.
مثلا پارچه ها یا بافت هایی را فرض کنید که با توجه به مواد اولیه ای که در آن ها وجود دارد، در صورت کثیفی یا پاره شدن، با واکنش های شیمیایی مجددا تمیز شوند یا به هم پیوند بخورند. این همان ایده کفش های خود ترمیم است که در ابتدا گفتیم.
هر یک از این سه رویکرد، دارای مزایا و محدودیت هایی هستند که هنگام در نظر گرفتن کاربردها مورد توجه ما قرار می گیرند. برای مثال میکروکپسول ها این محدودیت را دارند که با یک بار استفاده، خاصیت خود را از دست می دهند و نمی توان برای ترمیم مجدد از آن ها استفاده کرد یا در مورد سیستم های ذاتی باید اشاره کرد که این سیستم ها برای عمل کردن نیاز به یک محرک مانند نور یا گرما دارند.
واقعیت این است که اگر مقیاس آسیب میکروسکوپی باشد، سیستم های مبتنی بر کپسول و یا سیستم های ذاتی می توانند بهترین گزینه باشند. پروفسور وایت در این باره می‌گوید:
اگر آسیب در حجم و مقیاس زیاد رخ داده باشد، سیستم های ذاتی و کپسولی کار نخواهند کرد و ما مجبور خواهیم بود با سیستم مبتنی بر آوند پیش برویم. البته پیچیدگی شبکه های آوندی نیز مشکلاتی جدی را به دنبال خواهد داشت.
بشنویم از پروفسور “باند” و همکارش!
پروفسور “ایان باند” (که نامش ما را یاد جیمز باند معروف می اندازد) و همکارش دکتر “ریچارد ترسک” در دانشگاه “بریستول” در حال توسعه شبکه های آوندی هستند که عامل ترمیم را از طریق فیبرهایی در یک کامپوزیت پلیمری انتقال می دهند. پروفسور باند می گوید
ایده اصلی این پروژه، یک هواپیمای خود ترمیم شونده است.
او معتقد است مواد کامپوزیتی که به طور گسترده در عناصر ساختاری هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند، ذاتا مستعد آسیب هستند و اغلب وقتی آسیب می بینند، قابل مشاهده نیستند. او توضیح می‌دهد:
تیم بریستول نواحی خاصی را در هواپیماها شناسایی کرده است که ایجاد تنش مشکل زیادی می تواند به وجود بیاورد. وجود این چالش به احتمال زیاد در متقاعد کردن مقامات هواپیمایی از ارزش و امنیت فناوری ما تاثیر زیادی خواهد گذاشت.
در این راستا شبکه سازی و اتصال این کانال ها در شبکه های دو یا سه بعدی یک چالش بزرگ در راه پروفسور باند است. از طرف دیگر فراهم آوردن نیروی محرکه شارش سیال هم مسئله بزرگی است. او در این باره می گوید:
اگر همین خون خودمان را در نظر بگیریم، می بینیم تا زمانی که خارج از رگ نباشد، لخته نمی شود. ما چنین چیزی را می خواهیم. چرا که خطر انجماد و لخته شدن سیال در حین تعمیر همواره وجود دارد.
پلیمرهای خودترمیم شونده با اشعه فرابنفش
پروفسور “استوارت روآن” از دانشگاه اوهایو نوعی متریال پایه پلیمری توسعه داده است که در صورت تابش اشعه فرابنفش می تواند خود را تعمیر کند. او ادعا می کند که با استفاده از این مواد، خیالتان از خش افتادن بدنه ماشینتان راحت خواهد بود. چرا که فقط کافیست اشعه فرابنفش به آن بتابانید. البته همین مکانیزم را می توان روی ترک های صفحات موبایل های هوشمند پیاده کرد.
بر خلاف پلیمرهای معمولی که از مولکول هایی با زنجیره های بلند تشکیل شده‌اند، این ماده (که می تواند نمونه ای از یک سیستم ذاتی باشد) از مولکول های کوچک تر تشکیل شده است. آن ها در زنجیره ای به همراه یون های فلزی قرار می گیرند که به عنوان نوعی چسب بین آن‌ها عمل می کنند. اشعه UV باعث تضعیف این پیوندها می شود و جامد را به مایع تبدیل می کند. وقتی نور خاموش می‌شود، مواد به سرعت منجمد می شوند و ترک را به انسجام اولیه می رسانند.
پروفسور روآن به بیبیسی گفته است:
پس از اثبات این ایده، ما بر روی نسل بعدی فیلم ها کار می کنیم که به نوعی می توان روی آن ها “نور درمانی” کرد!
خود ترمیمی پرمصرف ترین مصالح جهان
در همین حال، “هرک جانکرز” و “اریک شلنگن” در دانشگاه صنعتی دلفت (TU Delft) در هلند می‌خواهند پر کاربرد ترین مصالح ساختمانی جهان را خودترمیم کنند: بتن ها، مصالحی هستند که همیشه در معرض ترک قرار دارند.
ترک های کوچک نتیجه روتین فرایند سخت شدن بتن است. اما مشکل فقط محدود به این ترک ها نیست. در طول زمان، آب و مواد شیمیایی در داخل شکستگی و خوردگی های بتن ها قرار می گیرند.
راه حل ارائه شده در دانشگاه دلفت می تواند عمر خدماتی این سازه را بهبود بخشد که نوید صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها را می دهد. باکتری های تولید کننده کلسیت (calcite) و همراه با دیگر مواد تشکیل دهنده بتن، در مخلوط بتن اولیه قرار گرفتند. هنگامی که بتن در تماس با آب قرار گیرد، میکروب ها از مواد بتن برای تولید سنگ آهک استفاده می کنند. این سنگ آهک نیز باعث پر شدن شکاف ها و حفره های کوچک می شود.
حرف آخر …
با همه این تفاسیر، اسکات وایت، ایده هایی در نظر دارد که به روش پیچیده تری برای ایجاد خاصیت خود ترمیمی ختم می شود. او می خواهد کاری که استخوان ها برای التیام خود انجام می دهند، را تقلید کند. بدیهی است که سیستم‌های بیولوژیکی می توانند پیشرفت های زیادی در این نوع مواد به وجود بیاورند.
پروفسور باند را یادتان هست؟ او در این باره می گوید:
ما انسان ها تازه الان می خواهیم شروع به درک این مساله کنیم که طبیعت چگونه این کار را با مواد خود می کند؟ امیدوارم بتوانیم این مکانیزم پیچیده را در قطعات صنعتی و روزمره پیاده کنیم.
منبع
دیدگاه کاربران