مواد و ساخت پیشرفته

دنیا مملو از صداها و ارتعاشات بی‌شمار است. حال تصور کنید که بتوانید به طور انتخابی نویزهای یک فرکانس خاص را تنظیم کنید. محققان دانشگاه ایلینویز شبکه‌های پلیمری با دو معماری متمایز و نقاط اتصال متقابل را سنتز کرده‌اند که قادر به تبادل پویا رشته‌های پلیمری هستند تا درک کنند که چگونه اتصال شبکه و مکانیسم‌های تبادل پیوند بر رفتار کلی میرایی شبکه حاکم است. ادغام پیوندهای پویا در شبکه پلیمری، میرایی عالی صدا و ارتعاشات را در فرکانس‌های کاملاً مشخص نشان می‌دهد.

کریس ایوانز استاد علم و مهندسی مواد که این تحقیق را رهبری می‌کند می‌گوید این تحقیق در مورد استفاده از پلیمرها برای جذب صداها و ارتعاشات مختلف است که می‌تواند در فرکانس‌های مختلف رخ دهد. ما می‌خواهیم بدانیم چگونه شیمی مقیاس مولکولی پلیمر را به گونه‌ای طراحی کنیم که توانایی جذب انرژی آن را کنترل کنیم.

توانایی تنظیم پلیمرها برای جذب فرکانس‌های خاص می‌تواند برای استفاده در گوش‌‌گیرها و کلاه ایمنی برای افراد در نزدیکی مشاغلی با اصوات انفجاری و در سناریوهایی با قرار گرفتن مکرر در معرض فرکانس مشخصی از نویز مفید باشد، مانند خلبان بالگرد که قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض صدای موتور آن می‌تواند منجر به مشکلات شنوایی شود.

پلیمرها مولکول‌هایی با زنجیره بلند هستند که از واحدهای تکرار شونده زیادی تشکیل شده‌اند. برخی از پلیمرها کاملاً خطی نیستند و مانند درختان دارای شاخه هستند و سایر پلیمرها در جاییکه زنجیره‌های پلیمری مجزا توسط پیوندهای کووالانسی به زنجیره‌های دیگر مانند شبکه متصل می‌شوند، به شدت به هم اتصال دارند. نقطه اتصال متقاطع پیوندی است که یک زنجیره پلیمری را به زنجیره دیگر متصل می‌کند و این همان جایی است که پیوندها می‌توانند تبادل شوند. پیوندهای پویا در یک شبکه پلیمری به آن اجازه می‌دهند تا ساختار خود را در پاسخ به تغییر محیط (دمای بالا، پی‌اچ، قرار گرفتن در معرض نور ماورای بنفش و غیره) بازآرایی کند.

جایگزینی چند پیوند کووالانسی در ساختارهای پلیمری متقاطع با پیوندهای پویا می‌تواند خواص پلیمر مانند مدول (سفتی ماده) و ویسکوزیته (آسانی جریان) را افزایش دهد. باندهای پویا به دلیل اصلاح خواص ویسکوالاستیک، موادی با خواص منحصر به فرد مانند خود ترمیم‌شوندگی، قابلیت کشش فوق‌العاده، خواص چسبندگی و سفتی مواد را فراهم می‌کنند. ایوانز توضیح می‌دهد که پیشرفت کلیدی در این است که ما از پیوندهای کووالانسی پویا استفاده می‌کنیم.

ما از این فرآیند استفاده می‌کنیم تا فرکانس صدا و ارتعاشی که جذب می‌کنیم را کنترل نماییم. ترکیب پیوندهای متعامد، که در آن پیوندهای سریع فقط می‌توانند با سایر پیوندهای سریع مبادله شوند و پیوندهای آهسته تنها می‌توانند با سایر پیوندهای کند مبادله شوند، حالت‌های آرامش چندگانه و به خوبی جداشده ایجاد می‌کند که به شبکه میرایی عالی و خواص مکانیکی بهبود یافته مانند سفتی می‌دهد.

این تیم مجموعه‌ای از پلیمرها را ساختند که دارای انواع معماری و ساختار کنترل‌شده بودند و نحوه اتصال زنجیره‌های پلیمری را بررسی کردند. در واقع اینکه که زنجیره‌های پلیمری چگونه به هم متصل می‌شوند تا فرآیندهای اتلاف انرژی را در مقیاس‌های زمانی بسیار مشخصی که با امواج صوتی یا ارتعاشات بسیار خاص مطابقت دارد به دست آورند اهمیت زیادی دارد. اگر زنجیرها فقط در انتها به هم وصل شوند این کار به اندازه اتصال دوره‌ای در امتداد ستون ساختار زنجیره موثر نیست.

یکی از محدودیت های اصلی مواد مورد استفاده در این تحقیق این است که در نهایت ویسکوزیته دارند. به عنوان مثال نوارهای لاستیکی شکل خود را حفظ می‌کنند اما وقتی آن پیوندهای پویا به آن اضافه می‌شوند، همیشه در نهایت جاری می‌شوند. مثلاً برای کلاه ایمنی که مواد در آن درون پوسته کلاه قرار دارد خوب است اما برای یک گوش‌گیر چندان مناسب نیست. این محققان در حال کار بر روی راه‌هایی هستند که این پلیمر را یک ماده خوداتکاتر تبدیل کنند و در آینده می‌خواهند پیوندهای پویای بیشتری را به کار گیرند، بنابراین این پلیمر فقط برای یک فرکانس خاص طراحی نشده است بلکه طیف بسیار وسیع‌تری از فرکانس‌ها را پوشش می‌دهد.

منبع