ابتكر العلماء بلاستيكًا يُضاهي الفولاذ في قوته وخفة وزنه. البلاستيك، الذي يُطلق عليه الكيميائيون أحيانًا اسم البوليمرات، هو فئة من الجزيئات طويلة السلسلة تتكون من وحدات متكررة قصيرة تُسمى المونومرات. على عكس البوليمرات السابقة ذات القوة نفسها، يتوفر هذا البلاستيك الجديد فقط على شكل أغشية. كما أنه أكثر إحكامًا للهواء بخمسين ضعفًا من أكثر أنواع البلاستيك مقاومةً للهواء المتوفرة في السوق. ومن الجوانب البارزة الأخرى لهذا البوليمر سهولة تصنيعه. فالعملية، التي تتم في درجة حرارة الغرفة، لا تتطلب سوى مواد رخيصة، ويمكن إنتاج البوليمر بكميات كبيرة على شكل صفائح كبيرة لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات. وقد نشر الباحثون نتائجهم في الثاني من فبراير في مجلة Nature.
تُسمى المادة المعنية بالبولي أميد، وهي عبارة عن شبكة مترابطة من وحدات جزيئية من الأميد (الأميدات هي مجموعات كيميائية نيتروجينية مرتبطة بذرات كربون مرتبطة بالأكسجين). تشمل هذه البوليمرات الكيفلار، وهو ألياف تُستخدم في صناعة السترات الواقية من الرصاص، والنومكس، وهو نسيج مقاوم للحريق. ومثل الكيفلار، ترتبط جزيئات البولي أميد في المادة الجديدة ببعضها البعض بروابط هيدروجينية على طول سلاسلها، مما يعزز قوة المادة بشكل عام.
قال المؤلف الرئيسي مايكل سترانو، وهو مهندس كيميائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "إنها تلتصق ببعضها البعض مثل الفيلكرو". إن تمزيق المواد لا يتطلب فقط كسر السلاسل الجزيئية الفردية، ولكن أيضًا التغلب على الروابط الهيدروجينية العملاقة بين الجزيئات التي تتخلل حزمة البوليمر بأكملها.
بالإضافة إلى ذلك، تتميز البوليمرات الجديدة بقدرتها على تشكيل رقائق تلقائيًا، مما يجعل معالجتها سهلة، حيث يمكن تحويلها إلى أغشية رقيقة أو استخدامها كطلاء سطحي رقيق. تميل البوليمرات التقليدية إلى النمو كسلاسل خطية، أو التفرع والترابط بشكل متكرر في ثلاثة أبعاد، بغض النظر عن اتجاهها. أما بوليمرات سترانو فتنمو بطريقة فريدة ثنائية الأبعاد لتشكيل صفائح نانوية.
"هل يمكنك تجميع البيانات على ورقة؟ اتضح أنه في معظم الحالات، لا يمكنك فعل ذلك حتى عملنا"، قال سترانو. "لذا، وجدنا آلية جديدة." في هذا العمل الأخير، تغلب فريقه على عقبة لجعل هذا التجميع ثنائي الأبعاد ممكنًا.
يعود السبب في امتلاك البولي أميدات بنيةً مستويةً إلى أن عملية تصنيع البوليمر تتضمن آليةً تُسمى القولبة التحفيزية الذاتية: فمع ازدياد طول البوليمر والتصاقه بوحدات المونومر البنائية، تحفز شبكة البوليمر المتنامية المونومرات اللاحقة على الارتباط فقط في الاتجاه الصحيح لتقوية اتحاد البنية ثنائية الأبعاد. وقد أثبت الباحثون قدرتهم على طلاء رقائق السيليكون بسهولة بالبوليمر المذاب في محلول، لإنتاج رقائق بعرض بوصة واحدة وسماكة أقل من 4 نانومترات، أي ما يقارب جزءًا من مليون من سماكة ورق المكتب العادي.
لتقييم الخصائص الميكانيكية لمادة البوليمر، قاس الباحثون القوة اللازمة لإحداث ثقوب في صفيحة معلقة من المادة باستخدام إبرة دقيقة. هذا البولي أميد أكثر صلابة من البوليمرات التقليدية مثل النايلون، وهو النسيج المستخدم في صناعة المظلات. والجدير بالذكر أن فك هذا البولي أميد فائق القوة يتطلب ضعف القوة اللازمة لفك برغي فولاذي بنفس السماكة. ووفقًا لسترانو، يمكن استخدام هذه المادة كطلاء واقٍ على الأسطح المعدنية، مثل قشور السيارات، أو كمرشح لتنقية المياه. في هذه الحالة الأخيرة، يجب أن يكون غشاء الترشيح المثالي رقيقًا ولكنه قوي بما يكفي لتحمل الضغوط العالية دون تسريب الملوثات الصغيرة المزعجة إلى مياه الشرب - وهو ما يناسب تمامًا مادة البولي أميد هذه.
يأمل سترانو في المستقبل توسيع نطاق طريقة البلمرة لتشمل بوليمرات مختلفة تتجاوز نظير الكيفلار هذا. وقال: "البوليمرات موجودة في كل مكان حولنا، فهي تقوم بكل شيء". وأضاف: "تخيل تحويل أنواع عديدة من البوليمرات، حتى تلك الغريبة التي يمكنها توصيل الكهرباء أو الضوء، إلى أغشية رقيقة يمكنها تغطية مجموعة متنوعة من الأسطح". وتابع سترانو: "بفضل هذه الآلية الجديدة، ربما يمكن الآن استخدام أنواع أخرى من البوليمرات".
في عالمٍ يحيط به البلاستيك، يجد المجتمع سببًا وجيهًا للتفاؤل بشأن بوليمر جديد آخر يتميز بخصائص ميكانيكية استثنائية، كما صرّح سترانو. هذا الأراميد شديد المتانة، ما يعني إمكانية استبدال أنواع البلاستيك المستخدمة يوميًا، من الدهانات إلى الأكياس وتغليف المواد الغذائية، بمواد أقل عددًا وأكثر قوة. وأضاف سترانو أن هذا البوليمر ثنائي الأبعاد فائق القوة، من منظور الاستدامة، يُعد خطوة في الاتجاه الصحيح نحو تحرير العالم من البلاستيك.
شي إن كيم (كما تُعرف عادةً باسم كيم) هي كاتبة علمية مستقلة من أصل ماليزي ومتدربة تحريرية في مجلة Popular Science ربيع 2022. وقد كتبت على نطاق واسع عن مواضيع تتراوح من الاستخدامات الغريبة لخيوط العنكبوت - سواء من قبل البشر أو العناكب نفسها - إلى جامعي القمامة في الفضاء الخارجي.
لم تصل مركبة ستارلاينر الفضائية التابعة لشركة بوينغ بعد إلى محطة الفضاء الدولية، لكن الخبراء متفائلون بشأن رحلة تجريبية ثالثة.
نحن مشاركون في برنامج شركاء أمازون للخدمات المحدودة، وهو برنامج إعلاني تابع مصمم لتوفير وسيلة لنا لكسب رسوم من خلال الربط بموقع Amazon.com والمواقع التابعة له. يُعد التسجيل في هذا الموقع أو استخدامه بمثابة قبول لشروط الخدمة الخاصة بنا.
تاريخ النشر: 19 مايو 2022