مواد و ساخت پیشرفته

هیدروژل‌ها به دلیل تبخیر بی‌وقفه در اتمسفر به ناچار دچار کم آبی، فروپاشی ساختاری و تغییر شکل انقباض می‌شوند و در نتیجه، انعطاف‌پذیری و لغزنده بودن و دقت ساخت خود را از دست می‌دهند. تحقیقی که در نشریه International Journal of Extreme Manufacturing منتشر شده است، نشان می‌دهد که چگونه می‌توان نوعی ماده لغزنده و نرم با دقت بالا تولید کرد که در آن مولکول‌های آب مستعد تبخیر هستند اما همچنان به خوبی با مواد عملکردی ساختاری با وفاداری بالا اجرا می‌شوند.

این یافته فوق‌العاده از لحاظ دیگری نیز مفید است زیرا نشان می‌دهد اگر می‌خواهید چیزی انقلابی اختراع کنید این کار اغلب ابتدا با کشف یک ماده کاملاً جدید شروع می‌شود! شیائولونگ وانگ استاد آزمایشگاه کلیدی ایالتی روانکاری جامد در موسسه فیزیک شیمی لانژو آکادمی علوم چین و نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید در اصل این امر، طراحی و ساخت یک کلاس کاملاً جدید از مواد نرم را باز می‌کند که مرطوب و روان‌کننده هستند، به راحتی شکل می‌گیرند و در برابر کم آبی شرایط جوی مقاوم هستند.

دشنگ لیو (دستیار پژوهش) و نویسنده اول این تحقیق نیز معتقد است در اصل، این یافته جدیدی برای مواد روان‌کنندۀ زیستی بسیار مهم و فناوری‌های پردازش با دقت بالا پیشنهاد می‌شود. هیدروژل نوعی ماده نرم با ساختار شبکه سه بعدی متقاطع آبدوست است که به دلیل انعطاف‌پذیری، قابلیت تنظیم مکانیکی، زیست سازگاری به طور گسترده در مهندسی بافت، پانسمان زخم، دستگاه‌های پوشیدنی انعطاف‌پذیر، پوست الکترونیکی و روبات‌های نرم، روانکاری و غیره استفاده شده است.

تاکنون قدیمی‌ترین روش‌ها، مانند نمک‌های رطوبت‌سنجی و حلال‌های مخلوط دوتایی آب-آلی، در هیدروژل‌های حجیم معرفی شده‌اند که با افزایش آنتالپی تبخیر آب، تبخیر آب را در شرایط محیطی مهار می‌کنند. اما با وجود بهبود تحمل کم آبی، هیدروژل‌های ساخته شده با این وسایل به طور اجتناب‌ناپذیری می‌توانند خواصی مانند ترشوندگی، روان‌کنندگی، مکانیک و حتی هیدراتاسیون را تغییر دهند.

این مواد نسبت به مواد سخت سنتی انعطاف‌پذیرتر اما پردازش آنها دشوارتر است ولی مشکل اصلی این است که آنها خیلی پایدار نیستند و در صورت قرار گرفتن در معرض هوا یا درجه حرارت بیش از حد ممکن است انعطاف‌پذیری خود را از دست بدهند. در این شرایط با توجه به ساختار زیستی پوست انسان برای احتباس آب، محققان یک راهبرد جدید با الهام از طبیعت را گزارش کردند که ترهالوز را به شبکه هیدروژل وارد می‌کند تا برهمکنش‌های پیوند هیدروژنی ناشی از ترهالوز را ایجاد کند. برهمکنش بین ترهالوز و آب می‌تواند لایه سطحی را با تحمل کم آبی در جو ایجاد کند که منجر به سنتز هیدروژل‌های انعطاف‌پذیر و لغزنده می‌شود.

لیو می‌گوید برهم‌کنش‌های قوی پیوند هیدروژنی شبه‌کووالانسی که توسط گروه‌های هیدروکسیل متعدد بر روی مولکول ترهالوز و گروه‌های قطبی متعدد روی زنجیره‌های پلیمری بلند ایجاد می‌شوند، می‌توانند انعطاف‌پذیری عالی و مقاوم در برابر خشک شدن هیدروژل لغزنده را ایجاد کنند. این برای یک دستگاه مواد لغزنده و نرم که باید در محیط‌های دنیای واقعی کار کند بسیار مفید است اما برای دانشمندان، قابل‌توجه‌ترین چیز این بود که مواد نرم حاوی آب هستند.

دانشمندان هیجان‌زده هستند زیرا این کشف یک اصل طراحی اساساً جدید را برای ساخت مواد هیدروژل با دقت بالا پیشنهاد می‌کند. آنها ابراز داشتند که عوامل مرطوب‌کننده طبیعی برای مواد هیدروژل آنقدر مهم هستند که تقریباً هرگونه توسعه مواد نرم جدید، مرزهای جدیدی را برای تکنیک‌های تولید افزودنی باز می‌کند. اعتقاد بر این است که این روش پیشنهادی راه را برای تولید هیدروژل‌های ساختاری در مقیاس بزرگ با تحمل کم آبی در اتمسفر هموار می‌کند و کاربردهای آن‌ها را در محیط‌های پیچیده گسترش می‌دهد.

این تیم همچنین در حال بررسی ساختارها و عملکردهای مختلفی است که مواد هیدروژل ممکن است با استفاده از چاپ سه بعدی فوتوپلیمریزاسیون VAT ایجاد کنند. در این رابطه وانگ می‌گوید ما فکر می‌کنیم یک راهبرد راحت و همه‌کاره را پیشنهاد کرده‌ایم که برای تولید هیدروژل‌های مقیاس بزرگ با معماری‌های پیچیده در یک فرآیند طولانی‌مدت سازگار است.

منبع