نجح مهندسون من جامعة ديوك في إنشاء طبقات من شبكات الكربون بسماكة ذرة واحدة (الجرافين) مع البوليمرات لإنشاء مواد فريدة ذات نطاق واسع من التطبيقات، بما في ذلك العضلات الاصطناعية.
نجح مهندسون من جامعة ديوك في إنشاء طبقات من شبكات الكربون بسمك ذرة واحدة (الجرافين) مع البوليمرات لإنشاء مواد فريدة مع مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك العضلات الاصطناعية.
تتكون الشبكة، المعروفة باسم الجرافين، من ذرات الكربون النقية وتشبه الشبكة الحديدية لحظيرة الدجاج. نظرًا لخصائصه البصرية والإلكترونية والميكانيكية الفريدة، يُستخدم الجرافين في المكونات الإلكترونية وأجهزة تخزين الطاقة والمواد المركبة والتطبيقات الطبية الحيوية.
وفي الوقت نفسه، من الصعب جدًا التعامل مع الجرافين لأنه يميل إلى الطي بسهولة وبالتالي يمكن أن تتغير خصائصه حسب الظروف. ولسوء الحظ، لم يتمكن العلماء من التحكم في طي الجرافين على نطاق واسع واستغلال خصائصه الفريدة بشكل صحيح. يشبه Xuanhe Zhao، أستاذ الهندسة بجامعة ديوك، التحدي المتمثل في التحكم في الجرافين بالفرق بين طي الصحيفة وطي ورق التواليت المبلل.
يوضح الباحث: "إذا قمت بطي ورق عادي، فيمكن بعد ذلك تسويته بسهولة تامة". "على النقيض من ذلك، فإن الجرافين يشبه ورق التواليت المبلل. إنها رقيقة ولزجة للغاية ومن الصعب تسطيحها مرة أخرى بعد طيها بالفعل. لقد قمنا بتطوير طريقة لحل هذه المشكلة والتحكم في طي وتسطيح الجرافين بأبعاد كبيرة."
قام مهندسو جامعة ديوك بربط الجرافين بشريط مطاطي تم تمديده سابقًا إلى عدة أضعاف طوله الأصلي. بمجرد تحرير الشريط المطاطي من التوتر الذي هو فيه، يتمزق جزء من الجرافين من الشريط بينما يظل جزء آخر منه ملتصقًا به، مما يخلق نمطًا من الجرافين الممزق والملتصق بحجم عدة نانومترات. بمجرد تحرير الشريط المطاطي من التوتر الذي كان فيه، ينكمش الجرافين الممزق ويتحول إلى طية. وبمجرد تمديد الشريط المطاطي مرة أخرى، يقوم الجرافين الملصوق بسحب الجرافين المطوي وتسطيحه. يوضح الباحث الرئيسي: "بهذه الطريقة، من الممكن التحكم في طي الجرافين ومحاذاةه بأبعاد كبيرة ببساطة عن طريق مد وإطلاق شريط مطاطي، حتى باليدين". ونشرت نتائج الدراسة في المجلة العلمية Nature Materials.
ويضيف أحد الباحثين: "يفتح نهجنا نافذة لاستغلال خصائص ووظائف الجرافين الجديدة". "على سبيل المثال، يمكننا تعديل شفافية مادة الجرافين من كونها شفافة تمامًا إلى معتمة تمامًا عن طريق طيها، وإعادتها إلى حالتها الأصلية عن طريق تسطيحها."
بالإضافة إلى ذلك، قام باحثون من جامعة ديوك بربط الجرافين ببوليمرات مختلفة من أجل تحضير مادة "ناعمة" قادرة على التصرف مثل الأنسجة العضلية عن طريق تمديدها وتقليصها حسب الحاجة. عند تطبيق جهد كهربائي على الجرافين، تتوسع العضلات الاصطناعية من حيث مساحتها؛ عندما تتوقف عن التوتر يصبح الأمر مسترخياً. تغيير الشد يسمح بالتحكم في مستوى انقباض واسترخاء العضلة الاصطناعية. "وهكذا"، يوضح الباحث الرئيسي، "إن طي الجرافين واستقامته يتيحان حركة واسعة النطاق للعضلات الاصطناعية".
ويضيف الباحث الرئيسي: "العضلات الاصطناعية الجديدة تمهد الطريق لتطوير تقنيات متنوعة تتراوح من الروبوتات وأنظمة توصيل الأدوية إلى أجهزة استخدام الطاقة وتخزينها". "على وجه الخصوص، تكمن في مثل هذه الأنظمة القدرة على تحسين نوعية حياة الملايين من الأشخاص ذوي الإعاقة من خلال توفير أجهزة غير مكلفة مثل الأطراف الاصطناعية خفيفة الوزن وشاشات برايل كاملة الصفحة. إن الآثار واسعة النطاق للعضلات الاصطناعية الجديدة تعادل آثار المواد الكهرضغطية على المجتمع ككل."
أخبار الدراسة
طيات الجرافين.
http://www.mems.duke.edu/news/3884
