وتتميز المواد الجديدة بالقوة العالية، ومقاومة المذيبات، والقدرة على الإصلاح الذاتي للشقوق التي تظهر فيها، وإمكانية دمج مواد مركبة أخرى، لضمان قوة أعلى.
اكتشف العلماء في مختبر أبحاث شركة IBM نوعا جديدا من البوليمرات، قادر على تغيير عالم الإنتاج في مجالات النقل والطيران والالكترونيات الدقيقة. من خلال نهج فريد يجمع بين الحوسبة عالية الأداء للغاية وكيمياء البوليمرات الاصطناعية، تظهر المواد الجديدة لأول مرة مقاومة للتشققات والكسور، وقوة أكبر من العظام البشرية، وإمكانية استعادة شكلها الأصلي بنفسها - و كل ذلك دون التخلي عن إعادة التدوير الكامل للمواد الأصلية التي صنعت منها. وتشكل المواد الجديدة الأساس للهياكل البوليمرية المعقدة، التي تضيف 50% إلى القوة الهيكلية الإجمالية، بطريقة تجعلها قوية بشكل خاص وخفيفة الوزن، مقارنة بالمواد الأخرى ذات القوة المماثلة. تم إجراء البحث بالتعاون مع جامعات بيركلي في الولايات المتحدة الأمريكية، وأيندهوفن في هولندا، ومدينة الملك عبد العزيز للعلوم والتقنية (KACST) في المملكة العربية السعودية. وتنشر نتائج البحث هذا الأسبوع، في عدد مجلة "العلم" العلمية.
البوليمرات هي سلسلة طويلة من الجزيئات المرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط كيميائية، وهي جزء لا غنى عنه في حياتنا اليومية. يقومون بتجميع مجموعة واسعة من الأشياء - بدءًا من زجاجات الملابس والمشروبات (البوليستر)، والدهانات (البولي أكريليك)، وزجاجات الحليب المصنوعة من البلاستيك (البولي إيثيلين)، وتغليف المواد الغذائية (البولي أوليفين، والبوليسترين) إلى الأجزاء المركزية في المركبات والطائرات (الإيبوكسي، والبولي أميد و بوليميد). كما أنها عنصر أساسي في كل تكنولوجيا صناعية منذ عصر الثورة الصناعية وحتى يومنا هذا: المحرك البخاري، وسفينة الفضاء، والكمبيوتر، والهاتف الخلوي.
البوليمرات اليوم محدودة في مناطق معينة. في عالم النقل والطيران، تتعرض المكونات الهيكلية لمخاطر بيئية: من ذوبان مساحة جناح الطائرات، مرورا بمشكلة التعرض لأنواع الوقود المختلفة، إلى انخفاض مقاومة الكسر الإجهادي بعد التعرض لمذيب، مثال. بالإضافة إلى ذلك، يصعب إعادة تدوير هذه البوليمرات لأنه لا يمكن صهرها وإعادة تشكيلها بعد تصميمها الأولي. عند تعرضها للحرارة العالية، فإنها تحترق وتنبعث منها مواد سامة. ونتيجة لذلك، تمتلئ مواقع القمامة بالنفايات السامة بمختلف أنواعها، مما يعرض البيئة للخطر.
مواد جديدة
اكتشف الباحثون في شركة IBM الآن نوعًا جديدًا من المواد، التي تتمتع بمجموعة واسعة وقابلة للتعديل من خصائص القوة والمرونة والوزن - والتي تمثل فرصة لتطبيقات جديدة وتطوير منتجات تعتمد على القدرات الفريدة لهذه المواد. وتتميز المواد الجديدة بالقوة العالية، ومقاومة المذيبات، والقدرة على الإصلاح الذاتي للشقوق التي تظهر فيها، وإمكانية دمج مواد مركبة أخرى، لضمان قوة أعلى.
من المتوقع أن يكون لإمكانية إعادة تدوير هذه المواد الجديدة تأثير كبير على صناعة أشباه الموصلات وعمليات التصنيع المتقدمة وإنتاج الأجزاء لعالم السيارات: من الآن فصاعدًا، سيكون من الممكن إعادة معالجة الأجزاء والمكونات التي تم العثور عليها معيبة بالفعل في عملية الإنتاج - بدلاً من رميها على الفور في سلة المهملات. وبالتالي، من الممكن تحسين مستوى الإنتاج وتوفير النفقات وتقليل كمية النفايات الإلكترونية بشكل كبير.
ومن أجل تطوير عائلة جديدة من المواد، استخدم الباحثون في شركة IBM منهجًا مبتكرًا لـ "الكيمياء الحاسوبية"، مما يجعل من الممكن تسريع عملية اكتشاف المواد - بالاشتراك مع التجارب في المختبر، ومع الاعتماد على أنظمة حاسوبية عالية الأداء للغاية، لبناء نماذج للتفاعلات الكيميائية التي تحدث خلال عملية إنشاء البوليمر.
في عالم مثالي مستقبلي، سيتمكن العلماء من تغذية الكمبيوتر بقائمة من المتطلبات المحددة - وتكليفه بتصميم جزيئات تلبي هذه المتطلبات بالضبط، بالإضافة إلى عمليات إنتاج هذه الجزيئات. ولسوء الحظ، لا يزال يتم اكتشاف المواد الجديدة بشكل رئيسي في التجارب المعملية، وذلك بالاعتماد على المعرفة والخبرة والتدريب العلمي للباحثين الذين يقومون بتطويرها. قد تؤدي أساليب الكيمياء الحاسوبية التي تم تطويرها في IBM إلى قطع جزء كبير من التخمين والتجربة والخطأ - وتسريع قائمة طويلة من جهود التطوير. الأدوية التي تستهدف المرض، ومكونات المركبات التي ستكون رخيصة وقوية وقابلة لإعادة التدوير - كلها يمكن تطويرها باستخدام أدوات الكيمياء الحاسوبية.
يتم إنشاء البوليمرات الجديدة في عملية مقبولة ورخيصة، والتي تبدأ بتفاعل تكثيف حيث تتصل الجزيئات ببعضها البعض، وتطلق جزيئات صغيرة مثل الماء أو الكحول كمنتج ثانوي. عند درجة حرارة 250 درجة مئوية، يصبح البوليمر قويًا بشكل خاص، وذلك بفضل إعادة تنظيم الروابط التساهمية وفقدان المذيب السائل المحتجز فيه. المشكلة المعروفة هي أنه، إلى جانب القوة الإضافية، يصبح البوليمر أيضًا أكثر هشاشة، مثل الزجاج. الآن تم حل هذه المشكلة، حتى أن البوليمرات الجديدة حصلت على خاصية فريدة في شكل القدرة على ترميم الكسور والشقوق والتعافي الذاتي.
لا يتأثر البوليمر الجديد بالتعرض للمحاليل الأساسية (درجة حموضة عالية)، ولكنه يتحلل بشكل انتقائي عند تعرضه لأحماض قوية بشكل خاص (درجة حموضة منخفضة). وبالتالي، في ظل الظروف المناسبة، يمكن تفكيك البوليمر إلى المواد التي تم تصنيعه منها، بطريقة تسمح بإعادة استخدام هذه المواد في بوليمرات أخرى. ويمكن إنتاج مادة أقوى، إذا تم خلط جزيئات الكربون النانوية، أو غيرها من الحشوات والتعزيزات في البوليمر، أثناء التسخين إلى درجات حرارة عالية. تتيح هذه العملية إعطاء البوليمرات خصائص مشابهة لتلك الخاصة بالمعادن - في الواقع، تُستخدم "المركبات" التي تجمع بين البوليمرات والمواد المعززة في تصنيع الطائرات والسيارات. هذه المواد أخف من المعدن - وتمكن من توفير تكاليف الوقود.
في درجات حرارة منخفضة، وحتى في درجة حرارة الغرفة، من الممكن بناء نوع جديد من البوليمر الذي يتصرف مثل هلام مرن - ولا يزال أقوى من معظم البوليمرات المعروفة اليوم. وتحتفظ هذه المواد الجديدة بمرونتها لأن المذيب محصور في شبكة من الجزيئات، مما يسمح لها بالتمدد مثل الشريط المطاطي.
من الميزات الجديرة بالملاحظة في هذا الجل الجديد أنه عندما يتم قطع أجزاء منه ثم إعادة تجميعها مرة أخرى، يقترب كل جزء من الجزء الآخر، إلى درجة الاتصال الجسدي بينهما - يتم تجديد الروابط الكيميائية بين الأجزاء وجعلها واحدة كاملة، في غضون ثوان قليلة. وبفضل هذه القابلية للتكرار، اكتسبت هذه البوليمرات لقب "الشفاء الذاتي". وبالتالي، يمكن اعتبارها مادة خام مناسبة بشكل خاص للمنتجات اللاصقة والتضميد، أو في التطبيقات التي تجمعها مع بوليمرات أخرى، لبناء أنظمة ومكونات تتمتع بقدرات الاسترداد الذاتي والإصلاح الذاتي. يمكن إعادة تدوير هذه البوليمرات في الماء العادي، ويمكن استخدامها أيضًا في التطبيقات التي تتطلب إعادة التجميع، مثل نقل الأدوية في الجسم.
