مترجم: حمید وثیق زاده انصاری
منبع فارسی: راسخون
منبع فارسی: راسخون
سرامیک ها انعطاف پذیر نبوده و تحت تنش، ترک برداشته و دچار شکست می شوند. اما پژوهشگران دانشگاه های MIT و سنگاپور به تازگی برای این مشکل (حداقل برای مواد سرامیکی بسیار کوچک) راه حل جدیدی یافته اند.
توضیح شکل: نمایش رفتار حافظه ای(1) در ساختار سرامیک زیرکونیا در اندازه ی کوچک
این تیم موفق به ساخت اشیای سرامیکی بسیار کوچک شده است که نه تنها انعطاف پذیر هستند بلکه دارای حافظه ی شکلی(2) هم می باشد. به این ترتیب این ماده پس از خم شدن و حرارت دیدن، مجددا به شکل اصلی خود برمی گردد. این یافته ی علمی شگف انگیز، هفته ی گذشته در مجله ی علمی علوم(3) به شکل مقاله-ای توسط پروفسور کریستوفر شوح(4)، آلن لای(5) دانشجوی فارغ التحصیل MIT، و دو همکار تحقیقاتی در سنگاپور منتشر شد.
پروفسور شوح، رئیس دانشکده ی علم مواد و مهندسی متالورژی دانشگاه MIT در این ارتباط گفت: "شناخت مواد دارای حافظه ی شکلی، که در واکنش به تغییرات درجه حرارت خم شده و سپس مجددا به شکل پیشین خود باز می گردند، از دهه ی 1950 آغاز شده است. این پدیده در برخی فلزات و پلیمرها دیده شده بود، اما سرامیک ها از این قابلیت بی بهره بودند". وی اظهار داشت: "در اصل، عامل مؤثر در وجود حافظه ی شکلی، ساختار مولکولی سرامیک ها است. اما تردی(6) و تمایل ذاتی سرامیک ها به شکست(7)، مانعی برای این موضوع محسوب می شده است. این پدیده از گذشته وجود داشته ولی کسی از آن خبر نداشته است. دلیل هیجان و شگفتی تیم تحقیقاتی نیز همین موضوع می باشد".
کلید دست‌یابی به سرامیک های دارای حافظه ی شکلی، طراحی مواد سرامیکی کوچک است. از همین رو تیم تحقیقاتی در دو مرحله به این هدف دست یافت. این تیم در مرحله ی اول، موفق به ساخت مواد سرامیکی بسیار کوچک (غیر قابل مشاهده با چشم غیر مسلح) شد: طبق نظر پروفسور شوح، هر چه سرامیک تولیدی کوچک تر باشد، مقاومت آن در برابر شکست بیشتر خواهد بود. در مرحله ی بعد محققین سعی کردند با ساخت دانه های کریستالی بسیار کوچک، تاثیرات مرز دانه-ای (فرایند ترک و شکست از مرزدانه ها آغاز می شود) را به حداقل برسانند. با این روش نمونه های بسیار کوچک سرامیک تهیه شد. قابلیت تغییر شکل(8)این نمونه ها تقریبا 7% اندازه ی آن ها بود. لای در این ارتباط توضیحات بیشتری می دهد: "قابلیت تغییر شکل اکثر مواد در حدود 1% است. سرامیک های معمولی حتی به همین مقدار نیز نمی توانند خم شوند. با خم شدن سرامیک های معمولی، بلافاصله شکاف های عمیق در سطح سرامیک پخش می شود".
در ادامه پروفسور شوح توضیح داد: "معمولا با خمش کمتر از 1%، سرامیک به سرعت خرد می شود. اما این رشته های کوچک با قطر تنها 1 میکرومتر (یک-میلیونیوم متر) بدون هیچگونه شکاف و شکستی، تا 7 الی 8% خم می شوند".
اگرچه در مقایسه با بسیاری از استانداردها، یک میکرون عدد بسیار کوچکی است، اما در علم نانوتکنولوژی، یک میکرومتر به هیچ عنوان کوچک نمی باشد. در همین ارتباط لای گفت: "این سرامیک ها در مقایسه با مواد ساخته شده در مقیاس نانو بسیار بزرگ هستند". از سرامیک های تولیدی می توان در توسعه ی کاربردهای میکرو و نانو، برای مثال در داروهای بیوشیمیایی بهره گرفت. از قابلیت حافظه ی شکلی این سرامیک ها می توان در ساخت میکرو فعال کننده ها(9) استفاده کرد. برای مثال به کمک این مواد می توان آزادسازی دارو در بدن را کنترل نمود. پروفسور شوح، برتری میکرو سرامیک ها نسبت به فعال کننده های دیگر را مقاومت بالای آن-ها می داند: "یکی از بهترین و مهم ترین کاربرهای سرامیک های تولیدی، ساخت فعال کننده های نسل جدید است. از آنجا که ماده ی سازنده ی این سرامیک توانایی هل دادن اجسام با فشار بسیار بالا را دارا می باشد – در واقع ترین نسبت به اندازه-اش یکی از بالاترین فشارهای ثبت شده تاکنون می باشد."
جنس سرامیک مورداستفاده در پژوهش، زیرکونیا(10)است.، اما با روش مشابه می-توان دیگر انواع سرامیک ها را نیز فراورش نمود. در همین ارتباط لای اظهار داشت: "زیرکونیا یکی از شناخته شده ترین مواد سرامیکی است" و موارد کاربرد متعدد در رشته‌های مختلف مهندسی دارد. این سرامیک در پیل های سوختی(11)برای تامین انرژی اتومبیل ها، خانه ها و حتی شبکه های الکتریکی نیز به کار می رود. اگرچه در این کاربردها قابلیت ارتجاعی(12)مواد اهمیت خاصی ندارد، اما انعطاف پذیر بودن ماده می‌تواند مقاومت آن در برابر آسیب ها را افزایش دهد".
سرامیک تولیدی دارای مجموعه ای از بهترین خواص فلزات و سرامیک ها است. محققان می گویند فلزات مقاومت کم‌تری دارند اما قابلیت تغییر شکل آن ها بسیار بالاست، حال آن‌که سرامیک ها قدرت بسیار بیشتری داشته اما تقریبا انعطاف پذیری صفر دارند – توانایی خم شدن یا کشیده شدن بدون شکست. شوح می گوید: "سرامیک های تولیدی جدید، مقاوت خود را از سرامیک ها و رسانایی خود را از فلزات به ارث برده اند".
پروفسور شوح، رئیس دانشکده ی علم مواد و مهندسی متالورژی دانشگاه MIT در این ارتباط گفت: "شناخت مواد دارای حافظه ی شکلی، که در واکنش به تغییرات درجه حرارت خم شده و سپس مجددا به شکل پیشین خود باز می گردند، از دهه ی 1950 آغاز شده است. این پدیده در برخی فلزات و پلیمرها دیده شده بود، اما سرامیک ها از این قابلیت بی بهره بودند". وی اظهار داشت: "در اصل، عامل مؤثر در وجود حافظه ی شکلی، ساختار مولکولی سرامیک ها است. اما تردی(6) و تمایل ذاتی سرامیک ها به شکست(7)، مانعی برای این موضوع محسوب می شده است. این پدیده از گذشته وجود داشته ولی کسی از آن خبر نداشته است. دلیل هیجان و شگفتی تیم تحقیقاتی نیز همین موضوع می باشد".
کلید دست‌یابی به سرامیک های دارای حافظه ی شکلی، طراحی مواد سرامیکی کوچک است. از همین رو تیم تحقیقاتی در دو مرحله به این هدف دست یافت. این تیم در مرحله ی اول، موفق به ساخت مواد سرامیکی بسیار کوچک (غیر قابل مشاهده با چشم غیر مسلح) شد: طبق نظر پروفسور شوح، هر چه سرامیک تولیدی کوچک تر باشد، مقاومت آن در برابر شکست بیشتر خواهد بود. در مرحله ی بعد محققین سعی کردند با ساخت دانه های کریستالی بسیار کوچک، تاثیرات مرز دانه-ای (فرایند ترک و شکست از مرزدانه ها آغاز می شود) را به حداقل برسانند. با این روش نمونه های بسیار کوچک سرامیک تهیه شد. قابلیت تغییر شکل(8)این نمونه ها تقریبا 7% اندازه ی آن ها بود. لای در این ارتباط توضیحات بیشتری می دهد: "قابلیت تغییر شکل اکثر مواد در حدود 1% است. سرامیک های معمولی حتی به همین مقدار نیز نمی توانند خم شوند. با خم شدن سرامیک های معمولی، بلافاصله شکاف های عمیق در سطح سرامیک پخش می شود".
در ادامه پروفسور شوح توضیح داد: "معمولا با خمش کمتر از 1%، سرامیک به سرعت خرد می شود. اما این رشته های کوچک با قطر تنها 1 میکرومتر (یک-میلیونیوم متر) بدون هیچگونه شکاف و شکستی، تا 7 الی 8% خم می شوند".
اگرچه در مقایسه با بسیاری از استانداردها، یک میکرون عدد بسیار کوچکی است، اما در علم نانوتکنولوژی، یک میکرومتر به هیچ عنوان کوچک نمی باشد. در همین ارتباط لای گفت: "این سرامیک ها در مقایسه با مواد ساخته شده در مقیاس نانو بسیار بزرگ هستند". از سرامیک های تولیدی می توان در توسعه ی کاربردهای میکرو و نانو، برای مثال در داروهای بیوشیمیایی بهره گرفت. از قابلیت حافظه ی شکلی این سرامیک ها می توان در ساخت میکرو فعال کننده ها(9) استفاده کرد. برای مثال به کمک این مواد می توان آزادسازی دارو در بدن را کنترل نمود. پروفسور شوح، برتری میکرو سرامیک ها نسبت به فعال کننده های دیگر را مقاومت بالای آن-ها می داند: "یکی از بهترین و مهم ترین کاربرهای سرامیک های تولیدی، ساخت فعال کننده های نسل جدید است. از آنجا که ماده ی سازنده ی این سرامیک توانایی هل دادن اجسام با فشار بسیار بالا را دارا می باشد – در واقع ترین نسبت به اندازه-اش یکی از بالاترین فشارهای ثبت شده تاکنون می باشد."
جنس سرامیک مورداستفاده در پژوهش، زیرکونیا(10)است.، اما با روش مشابه می-توان دیگر انواع سرامیک ها را نیز فراورش نمود. در همین ارتباط لای اظهار داشت: "زیرکونیا یکی از شناخته شده ترین مواد سرامیکی است" و موارد کاربرد متعدد در رشته‌های مختلف مهندسی دارد. این سرامیک در پیل های سوختی(11)برای تامین انرژی اتومبیل ها، خانه ها و حتی شبکه های الکتریکی نیز به کار می رود. اگرچه در این کاربردها قابلیت ارتجاعی(12)مواد اهمیت خاصی ندارد، اما انعطاف پذیر بودن ماده می‌تواند مقاومت آن در برابر آسیب ها را افزایش دهد".
سرامیک تولیدی دارای مجموعه ای از بهترین خواص فلزات و سرامیک ها است. محققان می گویند فلزات مقاومت کم‌تری دارند اما قابلیت تغییر شکل آن ها بسیار بالاست، حال آن‌که سرامیک ها قدرت بسیار بیشتری داشته اما تقریبا انعطاف پذیری صفر دارند – توانایی خم شدن یا کشیده شدن بدون شکست. شوح می گوید: "سرامیک های تولیدی جدید، مقاوت خود را از سرامیک ها و رسانایی خود را از فلزات به ارث برده اند".
پی‌نوشت‌ها:
1- Shape Memory Effect.
2- shape memory.
3- journal Science.
4- Christopher Schuh.
5- Alan Lai.
6- brittleness.
7- propensity for cracking.
8- deformability.
9- microactuators
10- zirconia.
11- fuel cells.
12- elasticity.
/م
