کامپوزیت های سه بعدی مشابه صدف حلزونی

محققان سوئیسی مواد کامپوزیتی مشابه صدف حلزونی تهیه کرده اند. برای این منظور آنها روشی ارائه کردند که با آن می‌توان عناصر ساختاری بسیار کوچک درون ماتریکس پلیمری را با استفاده از میدان مغناطیسی تراز کرد. با این روش می‌توان یک کامپوزیت پلیمری را در سه بعد تقویت کرد، کاری که با استفاده از روش‌های تقویت کننده رایج امکان پذیر نیست.

“آندره استوارت” از موسسه فناوری فدرال سوئیس (ETH) در زوریخ که محقق این پروژه است، می‌گوید: طبیعت در تولید موادی که در سه بعد تقویت شده‌اند، بسیار باهوش است. در صدف‌های حلزونی شکل، پوسته‌ای دولایه وجود دارد؛ پوسته درونی شامل صفحات ریز کربنات کلسیم است که به‌ صورت موازی با سطح تراز شده‌اند، و پوسته بیرونی که دارای کربنات کلسیم به ‌شکل میله است که عمود بر سطح هستند. این کار موجب می‌شود استحکام و مقاومت در برابر خستگی پوسته بیرونی افزایش یافته و همچنین مانع از وارد شدن ترک‌ها از این پوسته به پوسته درونی شود.

دستیابی به یک چنین آرایش سه بعدی مشابهی در کامپوزیت های پلیمری دشوار است. با استفاده از الیاف تنها می‌توان به ‌صورت دو بعدی کامپوزیت‌های پلیمری را تقویت کرد، اما این میزان کافی نیست و باید تراز شدن سه بعدی نظیر آنچه که در صدف اتفاق می‌افتد، در اینجا نیز تحقق یابد.

در گام اول محققان باید مقادیر بسیار کمی از نانوذرات اکسید آهن را به سطح صفحات میکرونی آلومینیوم اضافه کنند تا با این کار به آلومینیوم قابلیت مغناطیسی شدن اعطا شود. میله‌های سولفات کلسیم نیمه آبدار را نیز با این روش بایستی مغناطیسی نمود. در قدم بعد باید این صفحات یا میله‌ها را درون محلولی حاوی پیش ماده‌های پلیمر نظیر پلی‌یورتان، رزین‌های اپکسی و آکریلات وارد کرد. زمانی که میدان مغناطیسی به این سیستم اعمال می‌شود، ساختارهای موجود در آن به‌ صورت خاصی تراز می‌شوند و به‌ همان صورت باقی می‌مانند تا پلیمریزاسیون انجام ‌شود.

برای این که تقویت به ‌صورت سه بعدی انجام شود، ساختار می‌تواند در یک جهت در یک لایه از ماتریکس پلیمری تراز شده و در لایه بعدی در جهتی دیگر تراز شود. همچنین می‌توان دو نوع ذره را درون یک نوع پیش ماده قرار داده، به شکلی که میزان اکسید آهن در ذره اول بیشتر از ذره دوم باشد. در این حالت اگر میدان مغناطیسی قوی اعمال شود، همه ذرات در یک جهت تراز می‌شوند. اگر در ادامه، میدان کمتری در جهت دیگری اعمال شود، ذرات دارای اکسید آهن بیشتر، به این میدان پاسخ می‌دهند.

آزمایشات نشان می دهد استحکام و مقاومت پارگی کامپوزیت های حاصل نسبت به پلیمر معمولی به مراتب بیشتر است. همچنین میدان مغناطیسی لازم برای آرایش ذرات بسیار پایین بوده و بنابراین به راحتی می توان این روش را در مقیاس های بزرگ به کار برد. نتایج این تحقیقات در مجله Science به چاپ رسیده است.

البته طبق نظر یک متخصص کامپوزیت در دانشگاه امپریال کالج لندن، یکی از نقایص این روش استفاده از تقویت کننده های ذره ای است که به طور کلی بهترین نوع تقویت کننده نمی باشند. بنابراین ممکن است مواد خاصی با این روش تهیه شود، اما به طور کلی نمی توان مواد کامپوزیتی با کارایی بالا را توسط این مواد جایگزین نمود.

در ادامه فیلمی از آرایش پذیری ذرات در میدان مغناطیسی ارائه شده است.

[kaltura-widget uiconfid=”6719022″ entryid=”0_vb5hz34s” width=”400″ height=”285″ addpermission=”” editpermission=”” align=”center” /]