سخت‌تر از فولاد، سبک‌تر از پر

امروز محققان به دنبال بررسی خواص مواد مختلف هستند تا ماده‌هایی که می‌توانند این قابلیت را داشته باشند شناسایی کنند. تاکنون چند نمونه از این مواد شناسایی شده که سخت‌تر از فولاد هستند. فولاد هر قدر مستحکم باشد، سخت‌تر از الماس نیست، اما هیچ کدام از این ترکیبات فلزی نیستند و هنوز نمی‌توان آن را جایگزین مناسبی برای فولاد دانست. علاوه بر این، الماس هنوز برای استفاده در سازه‌های بزرگ، ماده‌ای بسیار گران‌قیمت است. حال باید دید کدام مواد به سختی فولاد هستند و در چه مواردی می‌توان آنها را جایگزین این فلز محکم کرد؟

گرافن، یک قدم نزدیک‌تر به قوی‌ترین فلز روی زمین

حدود 15 سال از کشف گرافن می‌گذرد و اکنون این ترکیب کربنی به عنوان قوی‌ترین ماده روی زمین شناخته می‌شود. این ماده می‌تواند حتی در سازه‌های بزرگ مثل ساختمان‌ها نیز استفاده شود. اما مساله این است گرافن برای این منظور باید از شکل دو‌بعدی به ساختاری سه‌بعدی ارتقا پیدا کند؛ در حالی که گرافن ماده‌ای است که می‌خواهد دو‌بعدی باقی بماند.

اکنون محققان با استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای، ماده‌ای اسفنجی شکل طراحی کرده‌اند که با داشتن 5 درصد چگالی فلز، ده برابر قوی‌تر است. اگر چنین ماده‌ای ساخته شود، با جرمی بسیار سبک می‌تواند وزن زیادی تحمل کند، بنابراین به ماده‌ای ایده‌آل برای استفاده در زیرساخت‌های سازه‌های معماری و عمران تبدیل می‌شود.

گرافن ماده‌ای است که ساختاری مشابه گرافیت سر مداد دارد. گرافیت در واقع از لایه‌های بسیار نازک و ضعیف کربنی تشکیل شده است که هنگام کشیده شدن روی کاغذ، این لایه‌ها جدا می‌شوند. گرافن نیز دارای ساختاری دو‌بعدی از لایه‌های کربنی است، با این تفاوت که مقاومت آن خیلی بیشتر از دیگر لایه‌های کربن است. علاوه بر این، گرافن خاصیت انعطاف‌پذیری زیادی دارد و می‌تواند هزار برابر برق بیشتری از مس در خود حفظ کند. محققان با بررسی خواص مواد طبیعی زیستی مثل بال پروانه، مرجان و خارپشت دریایی، الگوی ساختاری ماده گرافن را به شکلی که قابل استفاده باشد، طراحی کردند.

گرافن هنوز بسیار گران‌قیمت بوده و ساخت آن کار دشواری است؛ بنابراین همچنان استفاده از ترکیبات پلیمری و فلزات، کاربردی و به صرفه است. اما با پیشرفت فناوری و پیدا کردن روشی برای ساخت آسان‌تر، این ماده می‌تواند تحول عجیبی در زیرساخت بسیاری از تجهیزات و بناها ایجاد کند. استفاده از ماده‌ای دارای رد پای کربن که بسیار سبک‌تر از فلز، اما قوی‌تر است، علاوه بر این که نوید استحکام بیشتر می‌دهد، به کاهش دی‌اکسیدکربن و نزدیک شدن به آینده سبز زمین کمک می‌کند.

هیدروژل فیبر تقویت شده، پنج برابر قوی‌تر از فلزات

هیدروژل‌ها در قرن اخیر پتانسیل استفاده در مواد و تجهیزات مهمی از پانسمان زخم تا رباط‌های نرم و انعطاف‌پذیر را داشته است، اما به علت نداشتن مقاومت کافی تا به حال چندان محبوب و کاربردی نبوده‌اند. اکنون گروهی از محققان دانشگاه هوکایدوی ژاپن، نوع جدیدی از ترکیب هیدروژل را طراحی کرده‌اند که در آن از فیبر تقویت شده انعطاف‌پذیر و پارچه بافته شده از فیبر استفاده شده و استحکام بیشتری به هیدروژل بخشیده است.

مواد کامپوزیتی هزاران سال است بسیار ساده ساخته می‌شوند. برای مثال مقداری گل و لای بسیار نرم در ترکیب با کاه و حرارت دیدن تبدیل به آجر می‌شود. اضافه شدن مقداری فیبر شیشه‌ای به پلاستیک نیز همین اثر را دارد. هیدروژل‌ها هم از زنجیره پلیمرهای هیدروفیلی تشکیل شده‌اند که تا 90 درصد آب را جذب می‌کنند و با اضافه شدن فیبر شیشه‌ای تبدیل به ماده‌ای سخت و در عین حال انعطاف‌پذیر می‌شوند.

در واقع منظور از سخت‌تر از فلز بودن این است که به انرژی بیشتری برای متلاشی‌شدن نیاز دارد و با این حال از انعطاف کافی برخوردار است. چنین ماده شگفت‌انگیزی می‌تواند فراتر از یک پانسمان عمل کند و کاربرد زیادی در ساخت رباط‌ها و تاندون‌های مصنوعی برای بدن داشته باشد. تاندون و رباطی که توانایی تحمل تنش بار و همزمان انعطاف‌پذیری کافی داشته باشد، بسیار شبیه یک عضو طبیعی بدن خواهد بود.

تخته چوبی قدرتمندتر از فولاد

از دهه‌ها پیش، محققان به دنبال تقویت چوب برای تهیه مواد جانبی مثل نانو فیبرهای سلولزی بوده‌اند. این نوع نانو فیبرها در واقع پلیمرهای طبیعی در سلول‌های گیاهی است که آب را به بافت‌های گیاه می‌رساند. استفاده از چند ماده شیمیایی و قرار دادن چوب در معرض حرارت و فشار بالا، می‌تواند از آن ماده‌ای به مراتب سخت‌تر از فولاد بسازد. ماده تشکیل شده که به نظر بسیار ساده می‌آید، می‌تواند بهترین جایگزین دوستدار محیط‌زیست برای انواعی از پلاستیک‌ها و فلزات به کار رفته در ساخت ماشین‌ها و بناها باشد.

اما محققان برای به دست آوردن و استفاده از چنین ماده‌ای رویکرد متفاوت تغییر ساختار متخلخل چوب طبیعی را در پیش گرفتند. در این روش چوب در محلولی از سدیم هیدروکسید و سدیم سولفات می‌جوشد و سپس تحت فشار بالا قرار می‌گیرد. در نهایت ورقه چوبی باقی می‌ماند که بسیار نازک، اما با چگالی بالاست. بررسی این ورقه با یک میکروسکوپ الکترونی نشان داده است پیوندها بسیار مستحکم است و با قرار دادن پنج لایه چوب روی هم که ضخامت آنها کمتر از سه میلی متر است، می‌توان یک پرتابه فولادی با سرعت 30 متر در ثانیه را متوقف کرد. این سرعت تقریبا معادل سرعت یک خودرو لحظه‌ای پیش از برخورد به مانع است، بنابراین می‌توان از این ماده برای ساخت قطعات وسایل نقلیه استفاده کرد. البته باید دید طراحان این ایده برای معضل کمبود چوب و آسیب رساندن به منابع طبیعی چوب چه تدبیری اندیشیده‌اند.

قوی‌ترین فلزات روی زمین

استحکام فلزات با توجه به ویژگی‌های مختلفی تعریف می‌شود. با این حال فولاد و آلیاژهای آن معمولا در صدر فهرست قوی‌ترین فلزات زمین قرار می‌گیرند. تنگستن نیز قوی‌ترین فلزی است که به صورت طبیعی روی زمین یافت می‌شود. اگرچه در این رقابت تنگاتنگ باید تیتانیم را نیز نام برد. اما در نهایت هیچ یک از این فلزات به اندازه الماس سخت یا به اندازه گرافن مقاوم و بادوام نیستند. با این حال دو مورد آخر ترکیبات کربنی هستند و در رده فلزات تقسیم‌بندی نمی‌شوند.

آلیاژها ترکیبی از فلزات هستند که به منظور تولید مواد محکم‌تر ساخته می‌شوند. مهم‌ترین آلیاژ شناخته شده ترکیبی از آهن و کربن یعنی همان فولاد است. بعد از فولاد، آلیاژ آهن و نیکل قوی‌ترین آلیاژ موجود محسوب می‌شود. فولاد ضدزنگ، ترکیب دیگری از آلیاژ فولاد است که بسیاری از قطعات کاربردی اطراف ما از آن ساخته شده است. تنگستن در رده بعدی فلزات محکم قرار دارد. اما به دلیل شکننده بودن تنگستن، در صنایعی مثل هوافضا از تیتانیم استفاده می‌شود که فلزی سبک، قوی و تا حدودی انعطاف‌پذیر است. بنابراین انعطاف‌پذیری یکی دیگر از ویژگی‌های فلزات است که به کاربردی بودن آنها کمک می‌کند و گاهی رتبه آنها را در فهرست قوی‌ترین فلزات جابه‌جا می‌کند.

بر خلاف تصور شایع، آهن در رده‌های بعدی فلزات سنگین قرار دارد و در واقع این ترکیب آهن در بعضی آلیاژهاست که نام آن را به عنوان فلزی مستحکم ثبت می‌کند.