ساخت ماده‌ای جدید قدرتمندتر و سبک‌تر از فولاد

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، محققان با پوشش DNA با شکل خالصی از شیشه، ماده نوینی خلق کرده‌اند که سبک‌تر و قدرتمندتر از فولاد است.

این کشف نوآورانه، با استفاده از ساختار نانومقیاس شیشه و خواص منحصربه‌فرد DNA، پتانسیلی برای کاربردهای متنوع در صنایع مهندسی و دفاعی دارد.

کار در مقیاس نانو، درک عمیق و دقت در ساخت و تجزیه‌وتحلیل مواد را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. در زمینه تولید در مقیاس وسیع‌تر و حتی در محیط‌های طبیعی، مواد متعددی در معرض نقص‌ها و آلاینده‌هایی هستند که می‌توانند معماری پیچیده‌شان را به خطر بیندازند.

چنین آسیب‌پذیری‌هایی می‌توانند موجب شکستگی آن‌ها تحت فشار شوند. این امر به‌ویژه در بسیاری از انواع شیشه مشهود است و باعث شهرت آن به‌عنوان یک ماده شکننده می‌شود.

دانشمندان دانشگاه کلمبیا، دانشگاه کانکتیکات و آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی آمریکا (DOE) توانستند شکل خالصی از شیشه بسازند و قطعات تخصصی DNA را با آن بپوشانند تا ماده‌ای خلق کنند که نه‌تنها چهار برابر قوی‌تر از فولاد است بلکه با چگالی پنج برابر کمتر، فوق‌العاده سبک‌وزن نیز هست.

موادی که هر دوی این ویژگی‌ها را دارند، غیرمعمول هستند و تحقیقات بیشتر می‌تواند به کاربردهای جدید مهندسی و دفاعی منجر شود.

در موجودات زنده، اسید دئوکسی ریبونوکلئیک که بیشتر به‌عنوان DNA معرفی می‌شود، حامل اطلاعات بیولوژیکی است که سلول‌ها را به چگونگی شکل‌گیری، رشد و تولید مثل هدایت می‌کند.

ماده‌ای که DNA از آن ساخته شده است به‌عنوان پلیمر شناخته می‌شود، دسته‌ای از مواد سخت و کشسان است مانند پلاستیک و لاستیک.

انعطاف‌پذیری و سادگی آن‌ها، دانشمندان علم مواد را مجذوب خود کرده و الهام‌بخش بسیاری از آزمایش‌های جالب است.

«اولگ گنگ» دانشمند مواد در مرکز نانومواد عملکردی (CFN) در آزمایشگاه بروکهاون و استاد دانشگاه کلمبیا، سال‌ها از ویژگی‌های منحصربه‌فرد DNA برای ساخت مواد استفاده کرده که منجر به اکتشافات متعددی شده است. این فناوری جدید الهام‌بخش مجموعه‌ای از برنامه‌های کاربردی نوآورانه از رساندن دارو گرفته تا تجهیزات الکترونیکی است.

«آرون مایکلسون» محقق فوق دکتری بروکهاون روی آزمایشی با استفاده از ساختارهای DNA برای ساخت چارچوبی قوی برای مواد جدید کار کرده بود.

وی می‌گوید: مولکول‌های DNA رفتار جالبی دارند. هر نوکلئوتید، واحدهای اساسی اسیدهای نوکلئیک مانند DNA و RNA، پیوند بین توالی‌های مکمل را دیکته می‌کنند.

نحوه دقیق پیوند آن‌ها به یکدیگر به دانشمندان امکان می‌دهد تا روش‌هایی را برای مهندسی تا کردن DNA به اشکال خاصی به نام اوریگامی (هنر ژاپنی تا کردن کاغذ) توسعه دهند.

این اشکال DNA بلوک‌های ساختمانی در مقیاس نانو هستند که می‌توانند با استفاده از پیوندهای DNA آدرس‌پذیر، برای «خودآرایی» برنامه‌ریزی شوند. یعنی ساختارهای کاملاً مشخص با یک الگوی تکرارشونده می‌توانند به‌طور خودبه‌خود از این بلوک‌های DNA اوریگامی تشکیل شوند.

سپس این بلوک‌ها به هم می‌چسبند تا شبکه‌ای بزرگ‌تر را با ساختار الگوی تکرارشونده شکل دهند. این فرآیند به دانشمندان اجازه می‌دهد تا نانومواد سه‌بعدی از DNA بسازند و نانوذرات و پروتئین‌های معدنی را ادغام کنند.

پس از درک و کنترل این فرآیند مونتاژ منحصربه‌فرد، گانگ، مایکلسون و همکارانشان توانستند دریابند با استفاده از داربست زیست مولکولی برای ایجاد چارچوب‌های سیلیسی که معماری داربست را حفظ می‌کند، چه چیزی به دست می‌آید.

مایکلسون می‌گوید: ما بر روی استفاده از DNA به‌عنوان یک نانومواد قابل‌برنامه‌ریزی برای تشکیل یک داربست سه‌بعدی پیچیده تمرکز کردیم و می‌خواستیم بررسی کنیم این داربست وقتی به مواد حالت جامد پایدارتر منتقل می‌شود چگونه عملکرد مکانیکی دارد. ما این ماده خودسازمان‌ده ریخته‌گری شده در سیلیس (ماده اصلی شیشه) و قابلیت‌های آن را بررسی کردیم.

تحقیقات مایکلسون در این زمینه، جایزه یادبود رابرت سایمون را در دانشگاه کلمبیا به ارمغان آورد. مطالعات او در چارچوب‌های DNA طیف وسیعی از ویژگی‌ها و کاربردها، از خواص مکانیکی تا ابررسانایی را مورد بررسی قرار داده است. این پژوهش‌ها از آن جهت دارای اهمیت است که لایه‌های جدیدی از اطلاعات را از این آزمایش‌های هیجان‌انگیز دریافت می‌کند.

بخش بعدی فرآیند ساخت، از زیست معدن سازی الهام گرفته شده است؛ روشی که بافت زنده خاصی مواد معدنی تولید می‌کند تا مانند استخوان‌ها سخت‌تر شوند.

گنگ می‌گوید: بسیار علاقه‌مند بودیم بررسی کنیم چگونه می‌توانیم خواص مکانیکی مواد معمولی مانند شیشه در مقیاس نانوساختار افزایش دهیم.

دانشمندان از یک لایه بسیار نازک از سیلیس شیشه با ضخامت حدود 5 نانومتر یا چند صد اتم برای پوشاندن قاب‌های DNA استفاده کردند و فضاهای داخلی را باز گذاشتند تا از فوق سبک بودن ماده به‌دست‌آمده مطمئن شوند.

در این مقیاس کوچک، شیشه نسبت به تَرَک یا عیوب حساس نیست و استحکامی را ارائه می‌دهد که در قطعات بزرگ‌تر شیشه که در آن ترک خورده و خرد می‌شود، دیده نمی‌شود. آن‌ها برای بررسی استحکام در اینم مقیاس به تجهیزات پیشرفته‌تری نیاز داشتند.

راه‌های ساده‌ای برای بررسی استحکام ماده وجود دارد. نوک زدن، هل دادن و تکیه دادن به سطوح و مشاهده رفتار آن‌ها، اغلب می‌تواند اطلاعات مفیدی ارائه دهد.

آیا مواد در برابر فشار خم می‌شوند، می‌ترکند، تاب برمی‌دارند یا محکم می‌ایستند؟ این یک راه ساده اما مؤثر برای درک قدرت یک جسم است، حتی بدون ابزار اندازه‌گیری دقیق آن. با این حال، چگونه می‌توان روی شئ بسیار کوچکی، فشار وارد کرد؟

مایکلسون در ادامه می‌گوید: برای اندازه‌گیری استحکام این ساختارهای کوچک، از روشی موسوم به نانو دندانه استفاده کردیم.

 نانو دندانه یک آزمایش مکانیکی در مقیاس بسیار کوچک با استفاده از ابزار دقیقی است که می‌تواند نیروهای مقاومتی را اعمال و اندازه‌گیری کند. ضخامت نمونه‌های ما فقط چند میکرون است، یعنی حدود یک‌هزارم میلی‌متر، بنابراین اندازه‌گیری این مواد با روش‌های معمولی غیرممکن است.

با استفاده توأم از میکروسکوپ الکترونی و نانو دندانه، می‌توانیم به‌طور هم‌زمان رفتار مکانیکی را اندازه‌گیری و فرآیند فشرده‌سازی را مشاهده کنیم.

همان‌طور که دستگاه کوچک نمونه را فشرده یا فرورفته می‌کند، محققان می‌توانند خواص مکانیکی را اندازه‌گیری و مشاهده کنند. سپس می‌توانند وضعیت مواد را پس از برداشتن فشار و بازگشت نمونه به حالت اولیه رصد کنند.

اگر شکافی ایجاد شود یا سازه در هر نقطه‌ای از کار بیفتد، می‌توان این داده‌های ارزشمند را ثبت کرد.

هنوز تا افزایش مقیاس و فکر کردن در مورد کاربردهای بی‌شمار برای چنین ماده‌ای راه درازی وجود دارد اما دانشمندان علم مواد قصد دارند به مواد دیگری مانند سرامیک‌های کاربید که حتی از شیشه نیز قوی‌تر هستند بپردازند تا چگونگی رفتار آن را در این فرایند بررسی کنند؛ پیشرفتی که می‌تواند در آینده منجر به تولید مواد سبک‌وزن قوی‌تر شود.

نتایج این تحقیقات در مجله Cell Reports Physical Science منتشر شده است.