یک ترکیب گیاهی که مانند استخوان سفت‌ است!

مجموعه: نوآوری و کشفیات علمی

به گزارش ایسنا به نقل از ام‌آی‌تی نیوز، قوی‌ترین قسمت درخت، در تنه یا ریشه‌های پراکنده آن نیست؛ بلکه در دیواره‌ سلول‌های میکروسکوپی آن نهفته است.

دیواره یک سلول چوب، از الیاف سلولزی ساخته شده است که فراوان‌ترین پلیمر طبیعت و مولفه اصلی ساختار همه گیاهان و جلبک‌ها به شمار می‌رود. درون هر کدام از الیاف، نانوبلورهای سلولز وجود دارند که زنجیره‌ای از پلیمرهای آلی هستند که در الگوهای بلوری تقریبا کاملی چیده شده‌اند. این نانو بلورها در مقیاس نانو، قوی‌تر و سفت‌تر از الیاف موسوم به "کولار"(Kevlar) هستند. اگر بتوان نانوبلورهای سلولز را در بخش‌های قابل‌توجهی به مواد تبدیل کرد، آنها می‌توانند راهی به سوی ابداع پلاستیک‌های قوی‌تر، پایدارتر و به دست آمده از طبیعت باشند.

اکنون، پژوهشگران "دانشگاه ام‌آی‌تی"(MIT)، ترکیبی را مهندسی کرده‌اند 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، قوی‌تر و از آلیاژهای آلومینیوم معمولی، سفت‌تر است. ساختار این ماده، به پوشش داخلی پوسته سفت برخی از نرم‌تنان شبیه است.

این گروه پژوهشی، دستورالعملی را برای ترکیب مبتنی بر نانوبلورهای سلولزی ارائه کردند که می‌توان آنها را با استفاده از چاپ سه‌بعدی و ریخته‌گری معمولی ساخت.

آنها 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 ایمپلنت‌های دندان مبتنی بر سلولز و در این مورد، هر محصول پلاستیکی قوی‌تر، سفت‌تر و پایدارتر استفاده شود.

"جان هارت"(John Hart)، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه ام‌آی‌تی گفت: با ایجاد این ترکیب می‌توانیم 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 می‌شود. بیشتر این سلولزها برای تولید کاغذ و منسوجات مورد استفاده قرار می‌گیرند و بخشی از آنها نیز به پودری تبدیل می‌شوند که در غلیظ‌کننده‌های مواد غذایی و لوازم آرایشی به کار می‌رود.

دانشمندان در سال‌های اخیر، کاربرد نانوبلورهای سلولز را بررسی کرده‌اند که می‌توان آنها را از الیاف سلولز استخراج کرد. بلورهای فوق‌العاده قوی را می‌توان به عنوان تقویت‌کننده‌های طبیعی در مواد مبتنی بر پلیمر استفاده کرد اما پژوهشگران تنها توانسته‌اند مقدار کمی از نانوبلورهای سلولز را ترکیب کنند زیرا آنها به جمع شدن تمایل دارند و فقط پیوند ضعیفی را با مولکول‌های پلیمری ایجاد می‌کنند.

هارت و همکارانش به دنبال توسعه یک ترکیب با کسر بالایی از نانوبلورهای سلولز بودند که بتوان آنها را به شکل‌های 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 می‌کند. قوام این ژل به اندازه‌ای است که می‌توان آن را از طریق نازل یک چاپگر سه‌بعدی تغذیه کرد یا در قالب ریخت. آنها از یک کاوشگر برای شکستن توده‌های سلولز درون ژل استفاده کردند. این کار، احتمال ایجاد پیوندهای قوی با مولکول‌های پلیمری را برای سلولز پراکنده افزایش داد.

آنها مقداری ژل را از طریق یک چاپگر سه‌بعدی تغذیه کردند و بقیه را در قالب ریختند. سپس به نمونه‌های چاپ‌شده 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 آنها 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 دانه‌های سلولز در یک الگوی شبیه به آجر و ملات قرار گرفته‌اند.

آنها مقاومت این ماده را در برابر ترک‌ خوردن آزمایش کردند و ابزارهایی در مقیاس نانو و سپس در مقیاس میکرو را به کار بردند. آنها دریافتند که آرایش دانه‌های سلولز این ترکیب در مقیاس‌های چندگانه، از شکافته شدن در اثر ترک برداشتن جلوگیری می‌کند. این مقاومت در برابر تغییر شکل، به سفتی ترکیب کمک می‌کند.

پژوهشگران در ادامه بررسی‌های خود، به دنبال راه‌هایی برای به حداقل رساندن انقباض ژل‌ها هنگام خشک شدن هستند. اگرچه انقباض، مشکل چندانی را در چاپ اشیای کوچک ایجاد نمی‌کند اما اشیای بزرگ‌تر با خشک شدن ترکیب ممکن است ترک بردارند.

این پژوهش، در مجله "Cellulose" به چاپ رسید.