دانشمندان ماده جدیدی ساخته اند که پنج برابر سبک تر و چهار برابر قوی تر از فولاد است

29 اوت 2023

موادی که هم قوی و هم سبک هستند می توانند همه چیز را از ماشین گرفته تا هواپیما و تجهیزات پزشکی بهبود بخشند. اکنون، محققان یک ماده فوق‌العاده قوی با چگالی بسیار کم با استفاده از دو بلوک ساختمانی بعید ایجاد کرده‌اند: DNA و شیشه.

به گفته سئوک وو لی از دانشگاه کانکتیکات، که با همکارانش از دانشگاه کلمبیا و آزمایشگاه ملی بروکهاون همکاری می کرد، “برای چگالی داده شده، ماده ما قوی ترین مواد شناخته شده است.”

اولگ گنگ، دانشمند نانومواد، گفت: «من از طرفداران فیلم های مرد آهنی هستم. من همیشه به این فکر کرده ام که چگونه زره بهتری برای مرد آهنی بسازم. باید خیلی سبک باشد تا سریعتر پرواز کند. برای محافظت از او در برابر حملات دشمنان باید بسیار قوی باشد.ماده جدید ما پنج برابر سبک تر اما چهار برابر قوی تر از فولاد است.

برخی از فلزات، مانند تیتانیوم، قوی تر و سبک تر از آهن هستند. برخی از آلیاژها حتی قوی‌تر هستند – زره‌های بدن سبک وزن، دستگاه‌های پزشکی بهتر و خودروها و هواپیماهای ایمن‌تر و سریع‌تر را امکان‌پذیر می‌کنند. تکنیک‌های متالورژی در سال‌های اخیر به حدی رسیده‌اند تا زمانی که مواد نانو فرصت‌های خلاقانه‌ای را به وجود آوردند.

همکاران در Cell Reports Physical Science گزارش دادند که با ساختن ساختاری از DNA و سپس پوشاندن آن با شیشه، ماده ای بسیار قوی با چگالی بسیار کم ایجاد کرده اند. شیشه ممکن است انتخاب شگفت انگیزی به نظر برسد، زیرا به راحتی خرد می شود. با این حال، شیشه معمولاً به دلیل نقص – مانند ترک، خراش، یا اتم های از دست رفته – در ساختار خود خرد می شود. یک سانتی متر مکعب شیشه بی عیب و نقص می تواند 10 تن فشار را تحمل کند، بیش از سه برابر فشاری که در تابستان امسال زیردریایی Oceangate Titan را در نزدیکی تایتانیک منفجر کرد.

به گزارش UCONN News، ایجاد یک تکه شیشه بزرگ بدون نقص بسیار دشوار است. اما محققان می دانستند که چگونه قطعات بسیار کوچک بی عیب و نقص بسازند. تا زمانی که شیشه کمتر از یک میکرومتر ضخامت داشته باشد، تقریبا همیشه بی عیب و نقص است. و از آنجایی که چگالی شیشه بسیار کمتر از فلزات و سرامیک ها است، هر ساختاری که از شیشه بی عیب و نقص در اندازه نانو ساخته شده است باید محکم و سبک باشد.

این تیم ساختاری از DNA خودآرایی ایجاد کرد. تقریباً مانند Magnatiles، تکه‌هایی از DNA با طول‌ها و مواد شیمیایی خاص، خود را به هم و در یک اسکلت از مواد به هم می‌چسبانند. قاب یک خانه یا ساختمان را تصور کنید، اما از DNA ساخته شده است.

گنگ و آرون میکلسون از کلمبیا و مرکز نانومواد عملکردی بروکهاون، DNA را با یک لایه بسیار نازک از مواد شیشه‌مانند با ضخامت چند صد اتم پوشانده‌اند. شیشه فقط رشته‌های DNA را پوشانده و بخش بزرگی از حجم مواد را به عنوان فضای خالی باقی می‌گذارد، دقیقاً مانند اتاق‌های داخل خانه یا ساختمان. اسکلت DNA، مانند داربست، پوشش نازک و بی عیب و نقص شیشه را تقویت کرد و ماده را بسیار قوی کرد – با حفره‌های موجود که بیشتر حجم ماده را تشکیل می‌داد، سبک وزن شد.در نتیجه، ساختار نانوشبکه شیشه ای ترکیبی از استحکام و سبکی را ایجاد کرد که قبلا هرگز به دست نیامده بود.

Gang در یک نسخه خبری UConn توضیح داد. که توانایی ایجاد نانومواد چارچوب سه بعدی طراحی شده با استفاده از DNA و کانی سازی آنها فرصت های زیادی را برای خواص مکانیکی مهندسی باز می کند.

اما هنوز کار تحقیقاتی زیادی مورد نیاز است. این تیم در حال حاضر با همان ساختار DNA کار می‌کنند، اما سرامیک‌های کاربید قوی‌تر را جایگزین شیشه می‌کنند. آنها برنامه‌هایی برای آزمایش ساختارهای مختلف DNA دارند تا ببینند کدام ماده قوی‌تر است.

لی معتقد است که نانومعماری اوریگامی DNA مسیر جدیدی را برای ایجاد مواد سبک‌تر و قوی‌تر باز می‌کند که قبلاً هرگز تصور نمی‌کردیم.