Zincir Zırh İlhamlı Buluş, Zırhın Geleceğini Yeniden Tanımlayabilir

Çelik kadar güçlü ama kumaş kadar hafif bir zırh hayal edin; moleküler zincir zırhı gibi bir araya gelen malzemelerden yapılmış. Bilim insanları, bunu gerçeğe dönüştürme yolunda ilk adımı atmış olabilir.

Northwestern Üniversitesi’nin önderliğindeki bir araştırma ekibi, zincir zırh bağlantılarına benzer mekanik olarak kilitlenmiş ilk iki boyutlu (2D) malzemeyi geliştirdi. Science dergisinin 16 Ocak tarihli bir çalışmasında belirtilen bu malzeme, olağanüstü esnek ve güçlü olup hafif vücut zırhı ve balistik kumaşlar gibi ürünlerde umut vaat eden uygulamalara sahiptir.

Araştırmacılar, malzemeyi nanometre ölçeğinde inşa ettiler, bu da onun bireysel bileşenlerinin nanometre cinsinden ölçülebildiği anlamına geliyor. Teknik olarak bir polimer: büyük moleküllerden oluşan bir madde, bunlar da kendi içinde monomer olarak adlandırılan daha küçük kimyasal birimlerden oluşur. Polimer örnekleri arasında proteinler, selüloz ve nükleik asitler bulunur.

2D mekanik olarak kilitlenmiş malzeme, mekanik bağlar kullanan bir polimer yapısıdır—çoğunlukla elektronların paylaşımını içeren kovalent bağlar yerine fiziksel kilitlenme ile oluşmuş bağlar. Araştırmacılara göre, malzeme her 0,16 inç kare (1 santimetre kare) alanda 100 trilyon mekanik bağ içermekte ve bu, şimdiye kadar yapılmış en yüksek mekanik bağ yoğunluğudur.

“Tamamen yeni bir polimer yapısı oluşturduk,” dedi çalışmanın ortak yazarı William Dichtel, Northwestern Üniversitesi’nden bir açıklamada. “Zincir zırha benzer şekilde, her bir mekanik bağ biraz kayma serbestliğine sahip olduğu için kolayca yırtılamaz. Çekerseniz, uygulanan kuvveti birden fazla yöne yayıyor. Ve eğer yırtmak isterseniz, birçok, birçok farklı yerden kırmak zorunda kalırsınız. Özelliklerini keşfetmeye ve muhtemelen yıllarca incelemeye devam edeceğiz.”

Mechanically interlocked moleküller yaratmadaki en büyük zorluk, polimerlerin mekanik bağlar oluşturmasını yönlendirme yöntemini bulmaktır. Northwestern Üniversitesi’nden Madison Bardot, bu çalışmayı yöneten kişi olarak yeni bir yöntem geliştirmekle takdir ediliyor. Ekip, x şeklinde monomerleri kristal yapıda (spesifik bir düzenli düzenleme) konumlandırdı ve kristalleri başka bir molekülle tepkimeye soktu. Bu tepkime, kristaller içinde mekanik bağlar oluşturdu. Nihai ürün, X şeklindeki monomerler arasındaki bağlarla yapılan kilitlenmiş polimer tabakalarının 2D katmanlarıdır ve araştırmacılar boşlukları daha fazla X şeklinde monomerle doldurdu.

“Bu yüksek riskli ve yüksek ödüllü bir fikirdi, moleküler kristallerde ne tür tepkimelerin mümkün olduğunu sorgulamak zorunda kaldık,” dedi Dichtel. Ortaya çıkan malzeme inanılmaz derecede güçlü, fakat aynı zamanda esnek ve manipüle edilmesi kolaydır, çünkü polimer bir çözücü içinde çözündüğünde, kilitlenmiş moleküllerin bireysel tabakaları birbirinden ayrılır.

“Polimer bir kez oluştuktan sonra, yapıyı bir arada tutan pek bir şey kalmıyor,” diye ekledi. “Yani, onu çözücüye koyduğumuzda, kristal çözülüyor ama her bir 2D tabaka bir arada kalıyor. O bireysel tabakaları manipüle edebiliriz.”

Önceki araştırmacılar mekanik olarak bağlı polimerleri çok küçük miktarlarda üretmiş ve bu malzemeleri toplu olarak üretmek zor olmuşsa da, ekibin yeni yöntemi beklenmedik bir şekilde ölçeklendirilebilir. Malzemenin 0,5 kilogramdan fazlaını ürettiler ve daha fazlasını üretme olasılığını öne sürdüler.

Bununla birlikte, yeni polimer yapısının küçük bir yüzdesi bile, diğer maddeleri geliştirebilir. Araştırmacılar %97,5 Ultem lifi (Kevlardır ailesindeki aşırı sağlam bir malzemeyle aynı ailede) ve %2,5 2D polimer içeren bir malzeme yaptılar ve bu karışımın başlangıçta olan lifi önemli ölçüde güçlendirdiği sonucuna vardılar.

Dichtel, “Daha yapılacak çok analizimiz var, ancak bu bileşik malzemelerin gücünü artırdığını görebiliyoruz,” diye devam etti. “Ölçtüğümüz hemen her özellik bir şekilde olağanüstü.”

Bu inanılmaz derecede güçlü ve esnek malzeme, belki de geleceğin beklediği zırh olabilir.