لحماية شاشة الهواتف :ابتكار مادة اقوى من الفولاذ وأخف من البلاستيك

ابتكر العلماء مادة جديدة أقوى بمرتين من الفولاذ ولكنها خفيفة مثل البلاستيك، قادرة على تحمل قوة تصل إلى 6 أضعاف قوة الزجاج المضاد للرصاص، لحماية شاشات الهواتف الذكية.
وتحقق المادة التي ابتكرها خبراء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، شيئا اعتقد أنه مستحيل منذ فترة طويلة، وهي البلمرة في بعدين.
وتعرف البلمرة بأنها عملية يتم من خلالها ضم ذرات صغيرة تسمى المونومرات معا، عادة لتشكيل سلاسل طويلة تشبه "السباغيتي" تسمى البوليمرات.
ويمكن بعد ذلك تشكيلها في أجسام ثلاثية الأبعاد مثل زجاجات المياه، عن طريق عملية تسمى حقن اللدائن (القولبة بالحقن).
ومع ذلك، نجح العلماء في إنشاء مادة تتجمع ذاتيا بدلا من ذلك في صفائح ثنائية الأبعاد تشبه "اللازانيا" أكثر من "السباغيتي".
وتتراكم هذه الصفائح، التي يطلق عليها اسم polyaramides، فوق بعضها البعض، ويتم تثبيتها معا بواسطة روابط هيدروجينية قوية، ما يجعل المادة الكلية قوية للغاية.
ويمكن تصنيع هذه المادة بسهولة بكميات كبيرة، ويمكن أن يغير هذا الطريقة التي نصنع بها أشياء مثل السيارات والهواتف، أو بناء الهياكل مثل الجسور، كما يقول منشئوها.
ويمكن اعتماد المادة إما كطلاء أو كمادة كاملة لبناء هياكل ضخمة.
وساد الاعتقاد منذ فترة طويلة أن البوليمرات المكونة من صفائح ثنائية الأبعاد يمكن استخدامها لصنع مواد خفيفة الوزن للغاية.
ومع ذلك، أدت عقود من التحقيق إلى استنتاج مفاده أن هذا كان مستحيلا، ويرجع ذلك جزئيا إلى الكيفية التي يتطلب بها الأمر مونوميرا واحدا فقط للالتواء من المستوى المتنامي للورقة حتى يفقد كل شيء الشكل المطلوب.
والمونومير أو أحادي القسيمة، هو جزيء صغير يمكن أن يرتبط كيميائيا بأحاديات قسيمة أخرى مماثلة أو غير مماثلة لعمل" مبلمر" (متعدد القسيمات).
وللتغلب على هذه المشكلة، استخدم الباحثون مركبا يسمى الميلامين، والذي يتكون من حلقات من الكربون والنيتروجين، ويستخدم بشكل شائع في صناعة أدوات المائدة البلاستيكية.
ووجد الفريق أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن استخدام المونوميرات الموجودة في الميلامين لتنمية أقراص صغيرة ثنائية الأبعاد تتراكم فوق بعضها البعض، مع كل طبقة مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية، ما يجعلها قوية ومستقرة للغاية.
وقال البروفيسور مايكل سترانو ، الذي قاد الدراسة الجديدة: "بدلا من صنع جزيء يشبه السباغيتي، يمكننا صنع مستوي جزيئي يشبه الصفيحة، حيث نحصل على الجزيئات لربط نفسها معا في بعدين. وتحدث هذه الآلية تلقائيا في المحلول، وبعد أن نصنع المادة، يمكننا بسهولة غزل أغشية رقيقة شديدة القوة بشكل غير عادي".
ووجد الفريق أن تشويه المادة يمكن أن يتطلب ما بين 4 إلى 6 أضعاف قوة الزجاج المضاد للرصاص. سوف يستغرق تكسير المادة الجديدة ضعف القوة التي تتطلبها مع الفولاذ، رغم أنها تبلغ سدس كثافة الفولاذ.
وتُعرف المادة الجديدة، التي تسمى 2DPA-1، باسم polyaramide film، ويمكن استخدامها لتغليف المواد الأخرى.
وعلى عكس البوليمرات الأخرى، التي تترك سلاسلها الملتفة من المونوميرات فجوات بينها تسمح للغازات بالتسرب من خلالها، فإن مونوميرات 2DPA-1 تقفل معا بإحكام مثل "الليغو" (LEGO)، ما يجعلها غير منفذة تماما.
وأوضح البروفيسور سترانو: "قد يسمح لنا ذلك بإنشاء طبقات رقيقة جدا يمكنها منع تسرب الماء أو الغازات تماما".
ويمكن استخدام هذا النوع من الطلاء لحماية المعادن في السيارات والمركبات الأخرى أو الهياكل الفولاذية.
وقدم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا براءتي اختراع بشأن عملية إنشاء مادتهم الجديدة.
ويبحثون الآن بالضبط في كيفية قدرة البوليمر الخاص بهم على تكوين صفائح ثنائية الأبعاد، من أجل معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء أنواع أخرى من المواد الجديدة والمفيدة.
ونُشرت النتائج الكاملة للدراسة في مجلة Nature.