چگونه می‌توان الماس سخت را انعطاف‌پذیر کرد؟
مجله علمی ایلیاد - گروهی بین‌المللی از محققان از کشورهای هنگ کنگ، سنگاپور، کره‌ی جنوبی و آمریکا، نشان دادند که سوزن‌های الماس چند کریستاله و تک کریستالی با مقیاس نانو، می‌توانند بدون شکسته شدن، به میزان ۹ درصد منعطف شده و مجدداً به شکل اولیه‌ی خود باز گردند. نتایج تحقیق این گروه از محققان، در نشریه‌ی Science منشر شده و می‌تواند روزنه‌ای باشد درساخت انواع مختلف دستگاه‌های مرتبط با الماس، برای کاربردهایی نظیر سنجش، ذخیره‌‌سازی اطلاعات، راه‌اندازی، سازگاری با محیط در تصیربرداری داخلی، اپتوالکترونیک و دارورسانی.
محقق رهبر این مطالعه، دکتر «دنیل برنولی»، محقق پست دکترای گروه مهندسی و علوم مواد در MIT معتقد است: «آستانه‌ی کشش الماس معمولی، در شکل حجیم آن، کمتر از ۱ درصد است. اما در خصوص الماس‌های نانو، میزان تغییرشکل کشسانی آن‌ها، بسیار شگفت‌انگیزاست.»
دکتر «یانگ لو» محقق دانشگاه هنگ‌کنگ، یکی دیگر از محققان این مطالعه، می‌گوید: «ما رویکرد نانومکانیکی منحصربه‌فردی را برای کنترل دقیق و اندازه‌گیری میزان کشسانی بسیار بالای توزیع شده در نمونه‌های نانوالماس، به کار بستیم.»
دانشمندان باور دارند قرار دادن مواد کریستالی نظیر الماس، تحت کشیدگی بسیار بالا که در جریان منعطف شدن این تکه‌ها رخ می‌دهد، می‌تواند ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها را و همین‌طور ویژگی‌های اپتیکال، مغناطیسی، الکتریکی، دمایی، الکترونیکی و خصوصیات واکنش شیمیایی را به روش‌های قابل توجه و معناداری تغییر داده و برای طراحی مواد به منظور استفاده‌ی خاص از طریق روش «مهندسی کشسانی» مورد استفاده قرار گیرد.
محققان میزان خمیدگی سوزن‌های الماس را که از طریق فرآیند تبخیر شیمیایی ایجاد شده و سپس به شکل نهایی خود در آمدند، از طریق مشاهده‌ی آن‌ها در میکروسکوپ الکترونی و در جریان اعمال فشار برسوزن‌ها به وسیله‌ی نوک الماس نانو استاندارد، اندازه‌گیری کردند. درپی آزمایش‌های صورت گرفته با این سیستم، محققان شبیه‌سازی بسیار مفصلی برای تفسیر نتایج، انجام داده و موفق به تعیین میزان فشار وکشیدگی‌ای که سوزن‌های الماس قادر به مقاومت در برابر آن هستند، بدون اینکه دچار شکستگی شوند، شدند.
همچنین این دانشمندان مدل کامپیوتری را از تغییر شکل کشسانی غیرخطی برای شکل هندسی سوزن الماس، طراحی کرده و دریافتند که میزان بیشینه‌ی کشیدگی انبساطی الماس مقیاس نانو به میزان ۹ درصد است. این مدل کامپیوتری همچنین در پیش‌بینی این واقعیت که بیشینه‌ی فشار منطقه‌ای مشابه، نزدیک به شدت کشش ایده‌آل شناخته شده برای الماس است. برطبق مشاهدات، زمانی که کل سوزن الماس از کریستال ساخته شد، کشیدگی انبساطی ۹ درصدی، موفقیت‌آمیز نبود.
تا زمانی که این میزان بحرانی حاصل شود، چنانچه میله از سوزن خارج شده و نمونه تخلیه شود، تغییر شکل ممکن است کاملاً معکوس شود. تحقیق فوق نشان داد که اگر سوزن کوچک از تعداد زیادی بلور الماس ساخته شود، احتمال دست‌یابی به کشیدگی‌هایی با بزرگی غیرمعمول، وجود دارد. هرچند، میزان کشیدگی بیشینه‌ی مشاهده شده در سوزن الماس چند کریستاله، کمتر از نیمی از این میزان در سوزن‌های الماس تک کریستاله است.
محقق ارشد مطالعه فوق، پروفسور «سوبرا سورش»، رئیس دانشگاه تکنولوژی نانیانگ در سنگاپور، می‌گوید: «نتایج به‌دست آمده از تحقیق به قدری شگفت‌انگیز بود که ما دوباره این آزمایش را در شرایطی متفاوت انجام دادیم تا بتوانیم یافته‌های حاصل از آزمایش نخست را تایید کنیم. همچنین شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دقیقی در خصوص نمونه‌های واقعی و آزمایشات خمیدی مکرری انجام دادیم، تا فشار کششی بیشینه وکشیدگی بیشینه‌ای که نانوسوزن‌های الماس پیش از شکستن، قادر به تحمل آن هستند را اندازه‌گیری و تعیین کنیم.»
وی ادامه داد: «این مطالعه نشان داد آنچه که عموماً در مقیاس‌های ماکروسکوپی و میکروسکوپی، محتمل نیست، می‌تواند در مقیاس نانو رخ دهد؛ یعنی در جایی که کل نمونه متشکل از صدها اتم بوده و نسبت سطح به حجم، زیاد است.»
دکتر «مینگ دایو» یکی از محققان حاضر در این تحقیق، عضو دپارتمان مهندسی و علوم مواد MIT گفت: «پس از دوره‌ای دو ساله‌ی تکرار آزمایشات شبیه‌سازی و آزمایش‌های شرایط واقعی، اکنون می‌دانیم که شکل تغییر یافته سوزن نانوی خمیده شده، کلید فهم و تعیین میزان کشیدگی انبساطی بیشینه آن است. همچنین تغییر شکل خمیدگی کنترل شده، امکان کنترل کامل و تغییرات در میزان کشیدگی بیشینه را در سوزن‌های نانو، در آستانه‌ی شکستگی آن‌ها، فراهم می‌آورد.»
نوشته: SciNews
ترجمه: مریم رفیعی - مجله علمی ایلیاد
ترجمه: مریم رفیعی - مجله علمی ایلیاد