Sci - nature wiki

إضافة عروق مستوحاة من البوليمرات الرغوية – ScienceDaily

0

يتم تعلم العديد من الدروس المستفادة في الحياة من الأشجار. يتمسك بموقف. الأشياء الجيدة تأخذ وقتا. انحنى ، لا تنكسر. لكن بغض النظر عن الاستعارات ، فإن جيراننا الشجاريين الفخورين يقدمون ثروة من الحكمة العلمية – ولدينا الكثير لنتعلمه.

ببساطة من خلال وجودها ، فإن الأشجار هي أول علماء مواد الطبيعة. مثل العديد من النباتات ، لديهم أنظمة الأوعية الدموية ، وشبكات من القنوات الشبيهة بالأنابيب التي تنقل المياه والمغذيات الحيوية الأخرى من الجذر ، إلى الفرع ، إلى الورقة.

طور فريق بحثي في ​​معهد بيكمان للعلوم والتكنولوجيا المتقدمة عملية كيميائية لإنشاء بوليمرات رغوية مع أنظمة وعائية خاصة بها ، والتحكم في اتجاه ومحاذاة القنوات المجوفة لتوفير الدعم الهيكلي ونقل السوائل بكفاءة عبر المادة.

تم نشر عملهم ، “الرغاوي متباينة الخواص عن طريق البلمرة الأمامية” في مواد متطورة.

أصبح الهيكل بسيطًا

تعتبر الرغوات البوليمرية عوازل حرارية فعالة مع تطبيقات من التعبئة والتغليف إلى التبريد إلى العزل المنزلي. غالبًا ما تتشكل القنوات المجوفة أثناء عملية البلمرة ، لكن الأساليب الحالية لضبط بنيتها بدقة – أو تحويلها إلى شيء يشبه نظام الأوعية الدموية العامل – تعتمد على تقنيات وأدوات معقدة. سعى هذا الفريق بقيادة دييغو ألزات-سانشيز إلى تصميم طريقة أبسط.

قال Alzate-Sanchez: “في مجموعتنا البحثية ، لاحظنا ظهور هذه الهياكل التي تشبه الوريد في البوليمرات. ولكن بينما رأى بعض العلماء للتو القنوات على أنها فراغات فارغة تضعف البوليمر ، فقد رأينا أنها فرصة لخلق شيء مثمر”. ، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد بيكمان.

بالنسبة لفريق جامعة إلينوي هذا ، لم تكن القنوات التي تحدث بشكل طبيعي مدعاة للقلق ، ولكنها مصدر إلهام علمي – أو بالأحرى إلهام حيوي.

الاستماع إلى الأوراق

وبالنظر إلى أشجار البلوط والقيقب المنتشرة في حرم أوربانا ، سعى الباحثون إلى تزويد الرغوة البوليمرية بنظام الأوعية الدموية الذي يحاكي البنية الموجودة في الأشجار. يتيح تنظيم النظام الموجه في بنية موازية نقل السوائل في اتجاه واحد محدد مسبقًا.

قال جيفري مور ، مدير معهد بيكمان و PI في هذه الدراسة: “فكر في جذع شجرة”. “يحتاج الماء إلى التحرك في الاتجاه الصحيح ، من الجذور إلى الأوراق. يجب أن ينتقل من النقطة A إلى النقطة B بأكثر الطرق المباشرة الممكنة ؛ وليس إلى النقطة C أو إلى مكان آخر تمامًا.”

نظرًا لأن الحركة في اتجاه ما مفضلة على الحركة في اتجاه آخر ، فإن هذا الهيكل يُعرف باسم متباين الخواص ، أو غير متكافئ. تخيل الممرات المجاورة لحركة المرور على طريق سريع متجه شمالًا ؛ السفر شرقا أو غربا أكثر صعوبة من الذهاب مع التيار. في السابق ، كانت معظم أنظمة الأوعية الدموية المدمجة في المواد الرغوية تتبع بنية متناحرة ، حيث تتحرك القنوات بالتساوي في جميع الاتجاهات. إذا كان تباين الخواص طريقًا سريعًا ، فإن الخواص هي ساحة من السيارات الواقية من الصدمات التي تنسج من خلال بعضها البعض في مسارات متعرجة ومتعددة الاتجاهات.

أكثر من مجرد سوائل

بالنسبة لعالم المواد ، يتيح الطريق السريع الأحادي الاتجاه للأوعية الدموية فرصًا فريدة لإجراء أكثر من مجرد المياه.

في هذه الدراسة ، أوضح Alzate-Sanchez وفريقه استخدام القنوات لنقل السوائل عبر البوليمرات في اتجاه محدد مسبقًا ؛ بالنظر إلى المستقبل ، يمكن أن تتضمن القدرة على تصنيع تدفق اتجاهي أشكالًا مختلفة من الطاقة.

“المواد ذات الخصائص متباينة الخواص مهمة. على سبيل المثال ، يمكن للعوازل الحرارية متباينة الخواص توصيل الحرارة في اتجاه واحد ومنعها في الاتجاه المعاكس. وينطبق الشيء نفسه على الكهرباء أو الضوء أو حتى الصوت. اعتمادًا على كيفية محاذاة الرغوة ، والصوت يمكن أن يسير في اتجاه واحد ، لكن سيتم حظره في الاتجاه الآخر “.

الحصول على رد الفعل

لتحديد طريقة للتحكم في التركيب الخلوي للمواد الرغوية – وعلى وجه الخصوص ، تباين القوة – قام الفريق بتحليل كل مكون من مكونات التفاعل الكيميائي المستخدم في تكوين البوليمر.

يبدأ التفاعل بدمج مونومر يسمى ثنائي كلوبنتادين أو DCPD ؛ محفز وعامل نفخ للمساعدة في إعطاء المنتج النهائي قوامه الشبيه بالرغوة. يُسكب هذا الخليط ، المشار إليه باسم الراتينج ، في أنبوب اختبار. يؤدي تسخين أنبوب الاختبار إلى حدوث بلمرة أمامية ، وهو تفاعل يعالج – أو يصلب – الراتنج إلى مادة صلبة خلوية رغوية. المنتج النهائي هو poly-DCPD ، وقد تمت بلمرة مونومر DCPD الأصلي.

تم فحص ثلاثة من مكونات التفاعل: نوع عامل النفخ المستخدم ؛ تركيز عامل النفخ ووقت تكوين الهلام للراتنج. يحدث التبلور بسبب بلمرة الخلفية ، ويشير إلى وقت التأخير قبل بدء البلمرة الأمامية ، عندما يفترض راتنج درجة حرارة الغرفة تدريجيًا تناسقًا ناعمًا يشبه الهلام في أنبوب الاختبار.

اكتشف الباحثون أن لزوجة الراتنج – أو قابليتها للتدفق ، نتيجة مباشرة لتليينها خلال فترة التكوّن – هي أقوى مؤشر على تباين الخواص في المنتج النهائي. وبعبارة أخرى ، فإن زيادة وقت التكوّن أو تقليله يتيح التحكم المباشر في البنية الخلوية للرغوة.

قال مور: “يوفر هذا العمل طريقة سريعة وفعالة لإنشاء هياكل الأوعية الدموية الموجهة من مكونات وعمليات بسيطة”.

تضمن التصميم التجريبي الشامل للفريق بشكل منهجي اختبار 100 مجموعة مختلفة من عامل النفخ والتركيز ووقت التكوّن ، وقياس مستويات تباين الخواص والصلابة ودرجة المسامية التي تم تحقيقها مع كل اختلاف.

جهد تعاوني

تم تحليل كل عينة من الرغوة باستخدام التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية. كان الاقتران الجديد للرغوة البوليمرية مع التصوير المقطعي المحوسب الدقيق – وهي تقنية مخصصة لتحليل المواد الصلبة – مشروعًا تعاونيًا فريدًا شاركت فيه المؤلفة المشاركة ماريانا كيرش ، الأستاذة المشاركة في العلوم الميكانيكية والهندسة.

قال كيرش: “إن ما يفعله بيكمان جيدًا هو تشجيع ثقافة ندرك فيها أن لدينا الكثير لنتعلمه من بعضنا البعض ، حتى لو كانت تطبيقاتنا مختلفة”. “هذا التبادل والرغبة في التعرف على شيء آخر غير منطقتك الأساسية يعني أن فكرة أن أدواتنا في العظام يمكن استخدامها لوصف المسامية في الرغوة بدت فجأة بديهية وبديهية.”

بالإضافة إلى Alzate-Sanchez و Moore و Kersh ، يشمل المؤلفون المشاركون في هذه الدراسة مساعد أبحاث الخريجين Morgan Cencer وخريج علوم وهندسة المواد حديثًا مايكل روغالسكي ونانسي سوتوس ، كرسي Maybelle Leland Swanlund لعلوم وهندسة المواد في UIUC.

Leave A Reply

Your email address will not be published.