فراماده های جادویی طوفان به پا می کنند!

مقدمه فیزیک دانان در حال توسعه فراماده هایی هستند که به طور مشخص، برای حصول خواص شگفت انگیزی طراحی می شوند. البته که اصلاح ساختار مواد برای داشتن ظاهری بهتر، تاکنون مرسوم و معمول بوده است. اما حالا نوبت به تغییر مکانیک مواد رسیده است!...

در حال حاضر، گروه های تحقیقاتی بسیاری روی ایده هایی مربوط به موادی افسانه ای کار می کنند. موادی مانند سرامیک های فنری، شنل های نامرئی کننده و اسفنج های پلاستیکی با قابلیت برنامه ریزی!

مطمئنا این مواد در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. از ساخت کف پوش های فضاپیما گرفته تا تولید قسمت زیرین کفش های مدرن. پروفسور «مارتین وگنر» از موسسۀ تحقیقات تکنولوژی Karlsruhe آلمان در این باره می گوید:

در ابتدا اشتیاق و هیجانی که ما داشتیم، تماما معطوف به دستکاری خواص الکترومغناطیسی مواد بود. اما حالا، به زمینه های کاملا متفاوتی مثل ترمودینامیک و به تازگی مکانیک مواد نیز وارد شده ایم.

پروفسور وگنر همچنین در این باره به بی‌بی‌سی گفته است که واژۀ فراماده یا metamaterial برای هر طراحی‌ عجیب و عجیبی که روی مواد اعمال شود، به کار می رود. حتی اگر این تغییرات بدون ثبات باشند. معمولا این کلمه به ماده ای اشاره دارد که در آن خاصیتی غیر عادی مشاهده شود که به هیچ وجه از مواد اولیه انتظار نمی‌ رفته است.

پوشش بی حس کننده برای قطعات!

پروفسور وگنر به طور مشخص روی پوشش ها کار می کند. اما او به دنبال نامرئی کردن اشیا به طوری که قابل مشاهده نباشند، نیست. او می خواهد مواد را در برابر اعمال نیروهای فیزیکی نامرئی کند. در همین راستا، گروه آزمایشگاهی او در سال گذشته نوعی ماده با ظاهری مانند کندوی زنبور تولید کرد. اما چه چیزی باعث شد این ساختار منحصر به فرد شود؟ این که ماده ای که زیر این ساختار قرار می گرفت، در مقابل اعمال نیرو بی حس می شد! یعنی انگار نه انگار که نیرویی به آن وارد شود.

اما این ساختار چگونه عمل می کند؟ این فراماده، یک نوع جامد شبکه ای (solid lattice) است که مانند یک سیال عمل می کند! یعنی فشار وارده را به اجزای مخفی اطرافش منتقل می کند. پروفسور وگنر در این باره می گوید:

آن چه ما انجام داده ایم، فقط یک اساس برای طراحی است. شما می توانید آن را روی هر چیزی که خواستید اعمال کنید و همین ویژگی را مشاهده کنید!

فراماده ای با خواص ضد زلزله

با انتشار خبر پژوهش پروفسور وگنر، مهندسین و فیزیک دانان فرانسوی به نوعی راه او را ادامه دادند. محققین فرانسوی عنوان کرده اند که اعمال یک الگوی دقیق از سوراخ هایی مشخص روی فراماده تولید شده در آلمان، می تواند لرزش های آسیب رسان زلزله را منحرف کند و به این وسیله در صورت رخ دادن زلزله، آسیب بسیار کمتری به سازه مورد نظر برسد. البته تبدیل اجزای ساختمان به این فراماده، به نظر می رسد فعلا شدنی نباشد.

این شما و این مواد قابل برنامه ریزی!

توسعه فراماده ها به همین جا ختم نمی شود. «باستین فلورین» دانشجوی سال آخر دکتری در دانشگاه Leiden هلند از ساخت موادی با قابلیت برنامه ریزی مکانیکی خبر می دهد. همان طور که در شکل می بینید، این ساختار، ظاهرا ماده ای بسیار ساده با تکنولوژی سطح پایینی به نظر می رسد. یک تخته پلاستیکی که سوراخ هایی دارد.

اما بر خلاف ظاهر ساده این ماده، همین سوراخ هایی که با دو سایز و با الگویی دقیق اعمال شدند، خواص جالبی را رقم می زنند. این حفره ها به نحوی طراحی شده اند که هم می توانند به صورت عمودی فشرده شوند و هم افقی. البته این جا یک گیره کوچک، برای سوییچ بین این دو حالت لازم است.

نتیجه نهایی یک اسفنج پلاستیکی است که می ‌تواند نرم یا سفت باشد و مقادیر خاصی از فشار میان این دو خاصیت مکانیکی سوییچ کند. اگر این فراماده در حالی که هنوز تحت فشار قرار دارد، نرم تر شود، این خاصیت به عنوان سختی منفی شناخته می شود. به عقیده آقای فلورین این خاصیت آنقدر عجیب است که هنوز کاربردی برای آن پیدا نشده است!

البته جذابیت این اسفنج ها فقط محدود به همین خاصیت نیست. این ساختارها می توانند انرژی را جذب کنند. باستین فلورین در این باره می گوید:

یک سپر ماشین را تصور کنید که قابلیت برنامه ریزی داشته باشد. به عنوان مثال، اگر در محله ای با تعداد زیادی از کودکانِ در حال بازی رانندگی کنید، می ‌توانید یک سپر بسیار نرم داشته باشید. سپری که در صورت برخورد با انسان، آسیبی به او نمی رساند. البته اگر با سرعتی بالا در بزرگراه ها در حال رانندگی هستید، می توانید با فشار دادن یک دکمه، سپرتان را سفت و محکم کنید!

آقای فلورین و تیمش در حال مذاکره با چند کمپانی تولید کفش هستند. این کمپانی ها قصد دارند این فراماده را در بخش زیرین کفش های مدرن به کار گیرند و خواص متفاوتی را در زمین های متفاوت رقم بزنند.

فراماده ای با ضریب پواسون منفی!

پروفسور «کتیا برتولدی» از دانشگاه هاروارد روی مواد الاستیک عجیبی کار می کند که دارای ضریب پواسون منفی هستند. این یعنی اگر این ماده را تحت فشار قرار دهید، به جای این که به طرفین مایل شود و مسطح تر شود، از همه جهات کوچک و منقبض می شود!

البته دوباره در هنگام کشش، از همه جهات گسترش می یابد و منبسط می شود. تیم پروفسور برتولدی خواص مفید مختلفی را در این فراماده ایجاد کرده اند. از جمله این که در هنگام فشردگی، امواج صوتی را در فرکانس های مختلفی جذب کند.

ضریب پواسون، همچنین می تواند بر خواص خستگی یک فلز تأثیرگذار باشد. همین موضوع باعث شده تا شرکت مشهور «رولز رویس» سراغ پروفسور برتولدی بیاید. این کمپانی به دنبال این است که اجزای موتوری با شکاف های پیچیده ای طراحی کند، که سیکل های تنشی بسیار بیشتری را قبل از شکست تحمل می کند.

این تیم تحقیقاتی ادعا کرده اند که می توانند بلوک ‌های ساختمانی پیچیده ای را مهندسی کنند که خواصی غیرقابل انتظار رقم خواهند زد. البته هنوز جزئیاتی از این بلوک ها در دسترس عموم قرار نگرفته است.

سرامیک های فنری؟!

یک تیم در انستیتوی فناوری کالیفرنیا، مواد سرامیکی بسیار کوچکی ساخته اند که خاصیتی کاملاً بی سابقه دارند. این مواد پس از اعمال فشار و له شدن، تا پنجاه درصد باز می گردند. همان طور که در شکل می بینید، این ساختار، شبکه ای از لوله های سرامیکی توخالی است که از مواد اولیه ای دارای یک لایه اتمی ساخته می شود.

دیواره های این لوله ها تنها چند نانومتر ضخامت دارند و کل شبکه مذکور، از یک کاغذ هم نازک تر است. «لوکاس مزا» دانشجوی دکترا در این انستیتو در این باره گفته است که می تواند چندین قطعه از این ماده را در دست داشته باشد، در حالی که کسی متوجه وجود آن نشود.

مواد اولیه این ساختارها اکسید آلومینیوم است که از لحاظ استحکام از فولاد قوی تر است. اما مانند بیشتر سرامیک ها، بسیار ترد و شکننده است. به دلیل ضخامتی که دیواره های این لوله ها دارند، پس از اعمال ضربه، به راحتی به حالت قبل برمی گردند. بدیهی است که این سرامیک ها بسیار کوچک هستند، اما لوکاس مزا، معتقد است این مواد به زودی وارد بازار کاربردها خواهند شد.

او معتقد است کف فضاپیماها، می تواند از توده این سرامیک ها ساخته شود. در این صورت، دیگر این سازه ها از فلز ساخته نمی شوند و مشکل تحمل حرارتی کمتری که این فلزات دارند، حل خواهد شد.

منبع

www.bbc.co.uk

آیا مقاله برای شما مفید بود ؟
5/rateraterateraterate
4.6
1 نظر ثبت شده
مواد کنکور

مطالب مرتبط

دیدگاه کاربران

  • غزل 1399 شهریور 25 سه شنبه

    چقدر هیجان انگیز☻

    آیا برای شما مفید بود