روشی جدید برای تولید پلیمرهای قوی‌تر
مجله علمی ایلیاد - روشی ساده، حلقه‌هایی که باعث ضعیف شدن موادی همچون پلاستیک و لاستیک می‌شود را کاهش می‌دهد. پلاستیک، لاستیک و بسیاری مواد مفید دیگر از پلیمر در زنجیره‌های بلند در شبکه‌ای اتصالی ساخته می‌شوند. در سطح مولکولی، این شبکه‌های پلیمر، ضعف‌های ساختاری دارد که باعث ضعیف شدن آن‌ها می‌شود.
چند سال قبل، پژوهشگران MIT اولین گروهی بودند که انواع خاص از این نقایص که «حلقه» نامیده می‌شود را بررسی کردند. این حلقه‌ها زمانی ایجاد می‌شوند که زنجیره‌ای در شبکه‌ی پلیمر به جای پیوند دادن با زنجیره‌ای دیگر، با خودش پیوند می‌دهد. حال، همان پژوهشگران راهی ساده برای کاهش تعداد حلقه‌ها در شبکه‌ی پلیمر و بنابراین استحکام بخشیدن به مواد ساخته شده از پلیمر یافته‌اند. به منظور دستیابی به این هدف، پژوهشگران به آسانی یکی از اجزاء تشکیل‌دهنده‌ی شبکه‌ی پلیمر را بسیار آهسته به حجم زیادی از جزء سازنده‌ی دوم اضافه می‌کنند. با استفاده از این روش، آن‌ها توانستند در تنوعی از ساختارهای شبکه‌ای پلیمر مختلف، تعداد حلقه‌ها را به نصف کاهش دهند. این امر می‌تواند برای سازندگان مواد به لحاظ صنعتی مفید، همچون پلاستیک‌ها یا ژل‌ها روشی آسان پدید آورد تا با استفاده از آن، موادشان را استحکام بخشند.
«جرمیا ای جانسون» دانشیار شیمی دانشگاه MIT و نویسنده‌ی ارشد این مقاله می‌گوید: «تنها با تغییر سرعتی که ترکیبی را به دیگری اضافه می‌کنید، می‌توانید خصوصیات مکانیکی آن را بهبود بخشید.» «یووی گو»، دانشجوی فارغ‌التحصیل MIT، نویسنده‌ی اول این مقاله است که در ۲۴ آوریل در هفته‌نامه‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد. «بردلی اولسن»، دانشیار مهندسی شیمی از دانشگاه MIT، «کن کاواموتو»، دانشجوی فارغ‌التحصیل MIT، «مینگ‌ژیانگ ژونگ و مائو چن»، پست‌دکترای سابق MIT، «مایکل هورو»، استادیار دانشگاه کیس وسترن رزرو، «الکس جردن»، دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه کیس وسترن رزرو و «لاشاندا کورلی» استاد مهمان سابق MIT و دانشیار دانشگاه کیس وسترن رزرو نویسندگان دیگر این مقاله هستند.
کنترل کردن حلقه‌ها
در سال ۲۰۱۲، گروه جانسون اولین روش ارزیابی تعداد حلقه‌ها در شبکه‌ی پلیمر را اختراع کرد و آن نتایج را با پیش‌بینی‌های تئوری اولسن تایید کرد. پژوهشگران دریافتند که بسته به تراکم زنجیره‌های پلیمر در مواد اولیه و عوامل دیگر، این حلقه‌ها می‌توانند حدود ۹ تا تقریباً ۱۰۰ درصد شبکه را تشکیل دهند. چند سال بعد، جانسون و اولسن روشی برای محاسبه‌ی اینکه این حلقه‌ها چقدر ماده‌ای را تضعیف می‌کند توسعه دادند. در آخرین تحقیقشان، آن‌ها اقدام به کاهش ساختار حلقه‌ها و دستیابی به این امر بدون تغییر در ترکیب مواد کردند.
جانسون می‌گوید: «هدف ما این بود که همان مجموعه از مواد اولیه که به شکل معمول استفاده می‌شد را بگیریم و با استفاده از دقیقاً همان شکل اولیه، تحت همان شرایط و در همان غلظت، ماده‌ای با حلقه‌ی کمتر بسازیم.» در این مقاله، پژوهشگران نخست روی نوعی از ساختار پلیمر که به‌عنوان شبکه‌ی پلیمر ستاره‌ای شناخته می‌شود تمرکز کردند. این ماده دو قسمت ساختمانی متفاوت دارد؛ ستاره‌ای با چهار شاخه‌ی یکسان با عنوان B4 شناخته می‌شود و زنجیره‌ای که با A2 شناخته می‌شود. هر مولکول A2 به انتهای یکی از شاخه‌های B4 می‌چسبد. با این حال، طی فرآیند سنتز معمول، زمانی که همه چیز به یکباره با هم ترکیب می‌شود، برخی از زنجیره‌های A2، با دو شاخه‌ی B4 پیوند داده و تشکیل حلقه را می‌دهند.
این پژوهشگران دریافتند که اگر آن‌ها B4 را بسیار آهسته به محلولی از A2 اضافه کنند، هر یک از شاخه‌های B4 به سرعت با یک مولکول تک A2 واکنش می‌دهد، بنابراین فرصت کمتری برای A2 باقی می‌ماند تا تشکیل حلقه بدهد. چند ساعت پس از اضافه کردن آهسته‌ی نیمی از محلول B4، آن‌ها نیمه‌ی دوم را به یکباره اضافه کردند و این واحدهای کوچک ستاره‌ای شکل به یکدیگر می‌پیوندند تا شبکه‌ی اتصال عرضی تشکیل دهند. پژوهشگران دریافتند این ماده تقریباً نیمی از حلقه‌هایی را دارد که همین ماده‌ی تولید شده با استفاده از فرآیند سنتز قدیمی دارد.
جانسون می‌گوید بسته به اینکه در ماده‌ی اصلی چه تعداد حلقه وجود دارد، این استراتژی «آهسته سپس سریع» می‌تواند استحکام مواد را تا ۶۰۰ درصد بهبود بخشد.
محصولات بهتر
پژوهشگران همچنین این روش را با چهار نوع دیگر از واکنش‌های سنتز شبکه پلیمر امتحان کردند. آن‌ها توانستند تعداد حلقه‌های تمام آن گونه‌های پلیمر را اندازه بگیرند، با این حال پیشرفت‌های مشابهی در استحکام مواد یافتند. این روش به‌طور بالقوه می‌تواند استحکام هر ماده‌ی ساخته شده از ژل یا دیگر پلیمرهای اتصال عرضی شامل پلاستیک‌ها، غشاهای مورد استفاده در تصفیه‌ی آب، چسب‌های ساخته شده از اپوکسی یا هیدروژل‌ها همچون لنز‌های تماسی را بهبود بخشد. حال آزمایشگاه جانسون در حال مطالعه‌ی کاربرد این استراتژی بر روی مواد مختلف شامل ژل‌های استفاده شده برای رشد دادن سلول‌های مورد استفاده در مهندسی بافت است.
نوشته: Massachusetts Institute of Technology
ترجمه: مینا آذری - مجله علمی ایلیاد