به گزارش ایسنا به نقل از ام آی تی نیوز، قوی ترین قسمت درخت، در تنه یا ریشه های پراکنده آن نیست؛ بلکه در دیواره سلول های میکروسکوپی آن نهفته است.
دیواره یک سلول چوب، از الیاف سلولزی ساخته شده است که فراوان ترین پلیمر طبیعت و مؤلفه اصلی ساختار همه گیاهان و جلبک ها به شمار می رود. درون هر کدام از الیاف، نانوبلورهای سلولز وجود دارند که زنجیره ای از پلیمرهای آلی هستند که در الگوهای بلوری تقریبا کاملی چیده شده اند. این نانو بلورها در مقیاس نانو، قوی تر و سفت تر از الیاف موسوم به "کولار" (Kevlar) هستند. اگر بتوان نانوبلورهای سلولز را در بخش های قابل توجهی به مواد تبدیل کرد، آن ها میتوانند راهی بسوی ابداع پلاستیک های قوی تر، پایدارتر و به دست آمده از طبیعت باشند.
اکنون، پژوهشگران "دانشگاه ام آی تی" (MIT)، ترکیبی را مهندسی کرده اند که از مخلوط کردن نانوبلورهای سلولز با مقداری پلیمر مصنوعی ساخته شده است. بلورهای آلی، حدود ۶۰ تا ۹۰ درصد از این ماده را تشکیل می‌دهند که تا به امروز، بالاترین میزان از نانوبلورهای سلولزی موجود در یک ترکیب بوده است.
پژوهشگران دریافتند که این ترکیب مبتنی بر سلولز از برخی انواع استخوان، قوی تر و از آلیاژهای آلومینیوم معمولی، سفت تر است. ساختار این ماده، به پوشش داخلی پوسته سفت برخی از نرم تنان شبیه است.
این گروه پژوهشی، دستورالعملی را برای ترکیب مبتنی بر نانوبلورهای سلولزی ارائه کردند که میتوان آن ها را با استفاده از چاپ سه بعدی و ریخته گری معمولی ساخت.
آن ها ترکیب را چاپ کردند و استحکام و سفتی آن را مورد بررسی قرار دادند. همچنین، آنها کامپوزیت را به شکل دندان درآوردند تا نشان دهند که این ماده ممکن است روزی برای ساخت ایمپلنت های دندان مبتنی بر سلولز و در این مورد ، هر محصول پلاستیکی قوی تر، سفت تر و پایدارتر استفاده شود.
"جان هارت" (John Hart)، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه ام آی تی گفت: با ایجاد این ترکیب می توانیم به مواد مبتنی بر پلیمر، خواص مکانیکی بدهیم که پیشتر هرگز نداشتند. اگر بتوانیم مقداری پلاستیک مبتنی بر نفت را با سلولز طبیعی جایگزین کنیم، مسلما برای سیاره زمین نیز بهتر خواهد بود.
سالانه بیش از ۱۰ میلیارد تن سلولز از پوست، چوب یا برگ گیاهان تولید می شود. بیشتر این سلولزها برای تولید کاغذ و منسوجات مورد استفاده قرار می گیرند و بخشی از آن ها نیز به پودری تبدیل می شوند که در غلیظ کننده های موادغذایی و لوازم آرایشی بکار می رود.
دانشمندان در سال های اخیر، کاربرد نانوبلورهای سلولز را بررسی کرده اند که می توان آن ها را از الیاف سلولز استخراج کرد. بلورهای فوق العاده قوی را میتوان به عنوان تقویت کننده های طبیعی در مواد مبتنی بر پلیمر استفاده کرد اما پژوهشگران تنها توانسته اند مقدار کمی از نانوبلورهای سلولز را ترکیب کنند زیرا آنها به جمع شدن تمایل دارند و فقط پیوند ضعیفی را با مولکول های پلیمری ایجاد می کنند.
هارت و همکارانش به دنبال توسعه یک ترکیب با کسر بالایی از نانوبلورهای سلولز بودند که بتوان آن ها را به شکل های قوی و بادوام درآورد. آنها کار خود را با مخلوط کردن محلولی از پلیمر مصنوعی با پودر نانوبلورهای سلولز آغاز کردند. آنها نسبتی را برای نانوبلورهای سلولز و پلیمر تعیین کردند که محلول را به نوعی ژل تبدیل می کند. قوام این ژل به اندازه ای است که میتوان آنرا از طریق نازل یک چاپگر سه بعدی تغذیه کرد یا در قالب ریخت. آنها از یک کاوشگر برای شکستن توده های سلولز درون ژل استفاده کردند. این کار، احتمال ایجاد پیوندهای قوی با ملکول های پلیمری را برای سلولز پراکنده افزایش داد.
آن ها مقداری ژل را از طریق یک چاپگر سه بعدی تغذیه کردند و بقیه را در قالب ریختند. سپس به نمونه های چاپ شده اجازه دادند تا خشک شوند. طی این فرآیند، ماده منقبض شد و یک ترکیب جامد باقی ماند که بیشتر آن از نانوبلورهای سلولز تشکیل شده بود.
"آبیناو رائو" (Abhinav Rao)، از پژوهشگران این پروژه گفت: ما چوب را از اساس تخریب کردیم و به بازسازی آن پرداختیم. ما بهترین اجزای چوب را که نانوبلورهای سلولزی هستند، برداشتیم و آن ها را بازسازی کردیم تا به یک ترکیب جدید دست پیدا کنیم.
زمانی که این گروه پژوهشی، ساختار ترکیب را زیر میکروسکوپ مورد بررسی قرار دادند، مشاهده کردند که دانه های سلولز در یک الگوی شبیه به آجر و ملات قرار گرفته اند.
آن ها مقاومت این ماده را در برابر ترک خوردن آزمایش کردند و ابزارهایی در مقیاس نانو و سپس در مقیاس میکرو را به کار بردند. آن ها دریافتند که آرایش دانه های سلولز این ترکیب در مقیاس های چندگانه، از شکافته شدن در اثر ترک برداشتن جلوگیری می کند. این مقاومت در برابر تغییر شکل، به سفتی ترکیب کمک می کند.
پژوهشگران در ادامه بررسی های خود، به دنبال راه هایی برای به حداقل رساندن انقباض ژل ها هنگام خشک شدن هستند. اگرچه انقباض، مشکل چندانی را در چاپ اشیای کوچک ایجاد نمی کند اما اشیای بزرگ تر با خشک شدن ترکیب امکان دارد ترک بردارند.
این پژوهش، در مجله "Cellulose" به چاپ رسید.
- 9
- 1
