محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و پژوهشگران دانشگاه کلمبیا روش جدیدی برای بهبود استحکام مواد کشف کرده‌اند که می‌تواند به تولید نسخه‌های مستحکم‌‌تر منسوجات، شیشه‌های ضد گلوله و سایر تجهیزات بالستیک منجر شود.
ترفندی برای افزایش استحکام شیشه‌های ضدگلوله
در مقاله‌ای که در Soft Matter منتشر شد، این تیم فیلم‌هایی متشکل از ذرات سرامیکی در مقیاس نانومتری که با رشته‌های پلیمری تزئین شده‌اند، تولید کردند و آن‌ها را در محصولات مختلفی استفاده کرده و استحکام و چقرمگی آن‌ها را مورد بررسی قرار دادند. آزمایش‌های انجام شده ویژگی منحصربه‌فردی را نشان داد که در مواد معمولی مبتنی بر پلیمر دیده نمی‌شود و به فیلم‌ها اجازه می‌داد انرژی ناشی از ضربه‌ها را به سرعت دفع کنند.
ادوین چان، محقق موسسه ملی استاندارد و فناوری و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «از آنجایی که این ماده از مفاهیم رایج سخت‌کنندگی که در پلیمرهای کلاسیک می‌بینید پیروی نمی‌کند، راه‌های جدیدی برای طراحی مواد ضدضربه باز می‌کند. پلیمرهایی که امروزه بیشتر پلاستیک‌های مقاوم در برابر ضربه را تشکیل می‌دهند، شامل زنجیره‌های خطی مولکول‌های مصنوعی مکرر هستند که یا به طور فیزیکی در هم تنیده می‌شوند یا پیوندهای شیمیایی با یکدیگر تشکیل می‌دهند و شبکه‌ای بسیار درهم‌تنیده را تشکیل می‌دهند. همین اصل در مورد اکثر کامپوزیت‌های پلیمری صدق می‌کند که اغلب با مخلوط کردن مواد غیر پلیمری تقویت یا مستحکم می‌شوند.
سانات کومار استاد مهندسی شیمی دانشگاه کلمبیا و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «مخلوط کردن پلاستیک‌ها با برخی از ذرات جامد مانند تلاش برای مخلوط کردن روغن و آب است. آن‌ها می خواهند از هم جدا شوند. یکی از راه‌های رفع مشکل جدا شدن این است که پلاستیک‌ها را به صورت شیمیایی به ذرات متصل کنیم. این کار مثل این است که آن‌ها از یکدیگر متنفرند اما نمی‌توانند از هم فرار کنند.»
این لایه‌ها از کره‌های شیشه‌ای ریز به نام نانوذرات سیلیکا ساخته شده‌اند که هر کدام با زنجیره‌ای از پلیمری به نام پلی‌متاکریلات (PMA) پوشیده شده‌اند. برای تولید این نانوذرات پیوندی پلیمری (PGNs)، آزمایشگاه کومار زنجیره‌های PMA را روی سطح نانوذرات رشد داد و یک انتهای هر زنجیره را ثابت کرد. زنجیره‌های کوتاه‌تر یا با جرم مولکولی کمتر روی نانوذرات پلیمری توسط زنجیره‌های مجاور محدود می‌شوند. فقدان حرکت به این معنی است که آن‌ها زیاد با هم برهمکنش ندارند. اما پلیمرهای با جرم مولکولی بالاتر، که دورتر از نانوذرات کروی هستند، فضای بیشتری برای حرکت دارند تا زمانی که با زنجیره‌های دیگر درهم‌تنیده شوند. بین این دو، یک جرم مولکولی میانی وجود دارد که در آن پلیمرها آزادانه حرکت می‌کنند، اما ذرات به اندازه کافی بلند نیستند که گره بخورند. چان و همکارانش در NIST به دنبال یافتن چگونگی تأثیر این ویژگی منحصر به فرد بر چقرمگی بودند. با کمک آزمایشگاه کومار، محققان نمونه‌هایی از توده‌های مولکولی متفاوت را آزمایش کردند.
نتایج این مطالعه به وجود یک نقطه مهم، با توجه به طول پلیمرهای تثبیت شده روی سطح ذرات، اشاره دارد که می‌تواند چقرمگی مواد را افزایش دهد. این یافته ممکن است به PMA نیز محدود نشود. چان گفت: «بر اساس این نوع پلت فرم، مفهوم نانوذرات پیوندی، می‌توانید پلیمرهای کلاسیک‌تری مانند پلی کربنات‌های مورد استفاده در پنجره‌های ضدگلوله را آزمایش کنید.»
