هواپیماهای سرامیکی، الگوبرداری هوشمندانه از طبیعت

سرامیک ماده‌ای سبک و سخت است اما این امکان وجود ندارد که از آنها برای ساخت موتور جت استفاده کرد. علت بسیار ساده است چون این ماده بسیار ترد و مستعد خرد شدن است. از این رو دانشمندان به تازگی بر آن شده‌اند تا ماده جدیدی تولید کنند که در آن با الگوبرداری از ساختارهای زیستی و تلفیق کردن استحکام (فاکتوری برای اندازه‌گیری مقاومت در برابر تغییر شکل دادن) و سختی (فاکتوری برای اندازه‌گیری مقاومت در برابر خرد شدن و ترد بودن) آینده صنایعی همچون تولید موتور جت و سامانه‌های مشابه را متحول کنند. طرح کلی که دانشمندان در ذهن متصور شده‌اند ارائه ماده‌ای منفذدار اما انعطافی است که از نظر ساختاری بی‌شباهت به پوسته صدف نیست. اکنون دانشمندان به روشی نوین برای تولید چنین موادی در محیط آزمایشگاهی دست یافته‌اند.

این مواد جدید از مشخصه‌های مکانیکی مشابه به آلیاژهای فلزی برخوردارند و در حقیقت سخت‌ترین و قابل اطمینان‌ترین سرامیک‌هایی هستند که تاکنون ساخته شده‌اند. این روش جدید می‌تواند به شیوه‌ای تاریخی برای تولید ساختارهای سرامیکی منجر شود که از آنها می‌توان در ساخت بناهایی با راندمان مصرف انرژی بسیار مناسب استفاده کرد. این سازه‌ها در عین حال بسیار سبک‌تر نیز خواهند بود. از آن گذشته می‌توان متصور شد که ساختار خودروهای آینده نیز با استفاده از این سرامیک‌ها ارائه شود. در این میان ساختار صدف به الگوی اصلی دانشمندان برای ارائه نسل تازه‌ای از سرامیک‌ها تبدیل شده است.

این ساختار ترکیبی از صفحات قدرتمند اما شکننده کربنات کلسیم است که با نوعی چسب پروتئینی نرم تلفیق شده است و 3 هزار بار قدرتمندتر از ساختار پایه‌ای خود است. به طور کلی زمانی که دانشمندان مواد ترکیبی مختلفی را در محیط‌های آزمایشگاهی تولید می‌کنند، مشخصه‌های آن ماده ترکیبی میانگینی از مشخصه‌های تک تک اجزای سازنده آن ماده ترکیبی است؛ با  این حال در این مورد داستان کمی متفاوت است. رابرت ریشه رئیس دپارتمان مهندسی و علوم مواد دانشگاه کالیفرنیا در برکلی که در صدر تیم تحقیقاتی دانشمندان این پروژه است می‌گوید: هنگامی که طبیعت مواد ترکیبی ارائه می‌کند، میانگین مشخصه‌ها محصولی بهتر است. علت اصلی این است که مواد ترکیبی طبیعت از ساختارهای پیچیده‌ای برخوردار است که تقلید از آنها بسیار مشکل است. در حقیقت تلاش‌های زیادی برای الگوبرداری از این ساختارها صورت گرفته با این حال موادی که با تقلید کردن از این ساختارها تولید می‌شود از استحکام و راندمان ساختاری طبیعت برخوردار نیستند.

برای سال‌های طولانی دانشمندان در تلاش بوده‌اند تا مواد جدیدی را طراحی کنند که مبنای اولیه آنها مواد طبیعی همچون صدف و استخوان باشد. سرامیکی که در دانشگاه کالیفرنیا روی آن کار می‌شود نشان داده است که  با الگوبرداری دقیق از طبیعت می‌توان موادی ترکیبی ارائه کرد که از جهات گوناگون بر مواد فعلی برتری دارند.

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا برای تغییر شکل سرامیک‌های فعلی به ساختاری مشابه ساختار صدف و مروارید، در ابتدا محلول معلقی از آب و ماده صدفی تولید کردند تا از آن قالب اکسید آلومینیومی تولید کنند. در ادامه دانشمندان ماده به دست آمده را به شیوه‌ای کاملا کنترل شده خنک کردند. ریشه در این خصوص می‌گوید: باید بسیار مراقب بود که گرما را از یک سر ماده به دست آمده خارج کرد و نه به یک باره از کل ماده. این فرآیند موجب می‌شود تا ساختارهای باریک و درازی به دست آید که در ادامه دانشمندان پس از گرما دادن به آنها و تبخیر کردن آب موجود در آنها، روی یکدیگر فشرده می‌سازند تا ساختارهای آجری شکلی به دست آید. هنگامی که این فرآیند تکرار می‌شود، ساختار منفذدار و لایه‌ای از بلوک‌های اکسید آلومینیومی ایجاد می‌شود که با استفاده از ساختارهای ستونی با یکدیگر ارتباط محکمی برقرار کرده‌اند.  مشابه ساختار نهایی که از طریق این تکنیک جدید به دست می‌آید در صدف مروارید دیده می‌شود، اما حالا نوبت به تولید چسب پروتئینی است.

برای تقلید از طبیعت و تولید این چسب قدرتمند، دانشمندان منافذ ریز موجود در ساختار نهایی را با نوعی پلیمر پر می‌کنند. این تمامی آن چیزی است که دانشمندان سال‌هاست به دنبال تحقق آن بوده‌اند و به جهت اهمیتی که می‌تواند در صنایع مختلف داشته باشد، جزییات آن در نشریه معتبر ساینس منتشر شده است. این فناوری نوین در حالی ارائه شده‌اند که تا پیش از این گروه‌های مختلف دیگری نیز در تلاش بوده‌اند تا نمونه‌هایی از این دست ارائه کنند با این حال محصول خلاقانه دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا به جهت برخورداری از قطعات بزرگ‌تر، در نوع خود یک موفقیت خاص جهانی به حساب می‌آید.

بلوک‌های اکسید آلومینیومی که در این فرآیند ارائه می‌شوند، هرگز در مجاورت پلیمری که در نقش چسب پروتئینی عمل می‌کند دچار فرسودگی و سایش نمی‌شوند. البته این بلوک‌ها در نبود این پلیمر چسبی ساختاری ایجاد می‌کنند که هیچ تفاوتی با سرامیک‌های فعلی خردشونده ندارد، اما این پلیمر به لایه‌های بلوکی این امکان را می‌دهند تا به هنگام تحت فشار قرار گرفتن، روی یکدیگر سر بخورند. نتیجه این بر هم کنش ایجاد انعطاف نسبت به شکستگی‌هاست.

از آن گذشته این سرامیک جدید سخت‌تر از هر گونه سرامیک دیگری است که تاکنون در محیط‌های آزمایشگاهی تولید شده است.

نکته مهم دیگر این است که تجربه ثابت کرده است هیچ گاه استحکام و سخت و سفت بودن با یکدیگر سازگاری نداشته‌اند، اما سرامیک جدید دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا همچون آلیاژ آلومینیوم از استحکام و سختی توام قابل توجهی برخوردار است تا آنجا که از هم‌اکنون ایده ساخت هواپیماهایی با استفاده از آن ارائه شده است.
دانشمندان ضمن اعلام این حقیقت که پروژه آنها هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد بر این نکته تاکید دارند که می‌توان استفاده‌های کاربردی فراوانی از این محصول در آینده‌ای نه‌چندان دور داشت و سازه‌هایی را ارائه کرد که شاید در حال حاضر دست نیافتنی تلقی می‌شوند. می‌توان از این سرامیک به جای فولاد در ساختار خودرو و هواپیما استفاده کرد تا ضمن ارائه محصولی بسیار سبک‌تر، صرفه‌جویی قابل‌توجهی نیز در مصرف سوخت داشت.

حمیده حسینی
منبع: technologyreview