انقلابی در صنایع پیشرفته: یاقوتی که خود را تمیز می‌کند!

1

یاقوت قرن‌هاست که با رنگ‌های عمیق و سختی بی‌نظیر خود مورد توجه قرار گرفته است. جواهرسازان آن را ارزشمند می‌دانند و دانشمندان به آن احترام می‌گذارند.

تصور کنید صفحه‌نمایشی داشته باشید که هرگز خش نمی‌افتد، عینکی که بازتاب نور را از بین می‌برد یا شیشه جلوی خودرویی که بدون توجه به شرایط آب‌وهوایی، همیشه تمیز می‌ماند. پیشرفت‌های اخیر در فناوری نانو این ایده‌ها را بیش از هر زمان دیگری به واقعیت نزدیک کرده است.

کشف قابلیت‌های پنهان یاقوت

پژوهشگران دانشگاه تگزاس در آستین روش‌های چشمگیری برای بهبود یاقوت و تبدیل آن به ماده‌ای ارزشمندتر ابداع کرده‌اند که در برابر مه‌گرفتگی مقاوم است، گرد و غبار را دفع می‌کند و در سخت‌ترین محیط‌ها شفافیت خود را حفظ می‌کند.

این فناوری جدید می‌تواند صنایع مختلفی از الکترونیک مصرفی گرفته تا اکتشافات فضایی را متحول کند و نشان دهد که یاقوت چیزی فراتر از یک سنگ قیمتی است.

یاقوت به دلیل استحکام بالای خود، همواره ماده‌ای ضروری در صنایع دفاعی، ساعت‌های لوکس و تجهیزات علمی بوده است. مقاومت آن در برابر خراش باعث شده که برای صفحات نمایش و پوشش‌های محافظ گزینه‌ای ایده‌آل باشد. اما سختی فوق‌العاده آن یک چالش نیز به همراه دارد؛ تولید یاقوت در مقیاس کوچک دشوار است و این امر استفاده گسترده از آن در محصولات روزمره را محدود کرده است.

دکتر چی-هاو چانگ، دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تگزاس و سرپرست این پژوهش، می‌گوید:

“یاقوت به دلیل سختی و ویژگی‌های مطلوب دیگرش، ماده‌ای بسیار ارزشمند است. اما همین ویژگی‌هایی که آن را جذاب می‌کنند، تولید آن را در مقیاس کوچک دشوار می‌سازند.”

برای غلبه بر این چالش، تیم تحقیقاتی او ساختارهای نانویی مبتنی بر یاقوت ایجاد کرده‌اند که ضمن حفظ ویژگی‌های استثنایی آن، قابلیت‌های جدیدی نیز به آن می‌افزایند.

این ساختارها نسبت ابعادی (aspect ratio) بی‌سابقه‌ای برای یاقوت ارائه می‌دهند و عملکرد آن را بدون به خطر انداختن دوام آن بهبود می‌بخشند.

از نانوساختارها تا ابرمواد

فرم جدید یاقوت رفتار متفاوتی نسبت به یاقوت معمولی دارد.

هرچند مقاومت آن در برابر خراش به اندازه یاقوت طبیعی نیست، اما همچنان در مقایسه با موادی مانند تنگستن و شیشه‌های سنتی عملکرد قابل قبولی دارد. با این حال، موفقیت واقعی این فناوری در توانایی آن برای دفع مه، گرد و غبار و بازتاب نور است، در حالی که استحکام ساختاری خود را حفظ می‌کند.

کون-چی چن، فارغ‌التحصیل دکترای دانشگاه تگزاس و یکی از نویسندگان اصلی این پژوهش، می‌گوید:

“این موضوع بسیار هیجان‌انگیز است زیرا ساختارهای نانویی عموماً شکننده تلقی می‌شوند، اما ایجاد آنها در یاقوت می‌تواند این مشکل را برطرف کند.”

ایجاد این نانوساختارهای یاقوتی راه را برای نسل جدیدی از مواد باز می‌کند که هم مقاوم هستند و هم چندمنظوره. قابلیت خودتمیزشوندگی آنها به‌ویژه در محیط‌هایی که نگهداری و تمیز کردن دشوار یا غیرممکن است، بسیار مفید خواهد بود.

الهام از طبیعت برای نوآوری

پژوهشگران برای توسعه این ویژگی‌های جدید از طبیعت الهام گرفته‌اند.

آنها چشمان شب‌پره‌ها را بررسی کردند و دریافتند که این حشرات دارای ساختارهای ریز نانویی هستند که به آنها کمک می‌کند با کاهش بازتاب نور، در تاریکی بهتر ببینند. با الهام از این ویژگی، آنها نانوساختارهای یاقوتی طراحی کردند که سطح آن را شفاف‌تر و دید را آسان‌تر می‌کند.

اما مزایای این فناوری به اینجا ختم نمی‌شود. این نانوساختارها همچنین از مه‌گرفتگی جلوگیری می‌کنند. طراحی خاص آنها مانع از تشکیل رطوبت شده و لنزها و شیشه‌ها را شفاف نگه می‌دارد.

علاوه بر این، این فناوری را می‌توان برای دفع کامل آب تنظیم کرد. درست مانند برگ‌های نیلوفر آبی، این ساختارها باعث می‌شوند که قطرات آب روی سطح جمع شده و به راحتی غلت بخورند و سطح را بدون نیاز به تمیز کردن خشک و پاک نگه دارند.

محمد کپنگکی، دانشجوی تحصیلات تکمیلی و یکی از نویسندگان اصلی این تحقیق، می‌گوید:

“نانوساختارهای یاقوتی ما نه تنها چندمنظوره هستند، بلکه از نظر مکانیکی نیز بسیار مقاوم‌اند و آنها را برای کاربردهایی که دوام و عملکرد بالا حیاتی است، ایده‌آل می‌سازد.”

بهبود زندگی روزمره

این فناوری می‌تواند زندگی روزمره را به شکل‌های شگفت‌انگیزی متحول کند. تصور کنید صفحه نمایش گوشی شما هرگز خش برنمی‌دارد و حتی زیر نور شدید خورشید نیز کاملاً شفاف باقی می‌ماند.

• عینک‌هایی که هرگز بخار نمی‌گیرند؟ امکان‌پذیر است.
• شیشه خودروهایی که بدون توجه به میزان رطوبت، همیشه شفاف می‌مانند؟ امکان‌پذیر است.
• لنزهای دوربین که بدون بازتاب‌های آزاردهنده کار می‌کنند؟ امکان‌پذیر است.

حتی ممکن است شیشه جلو خودروها دیگر گرد و غبار را جذب نکند و نیاز به تمیز کردن مداوم کاهش یابد.

اما این فناوری تنها به راحتی و آسایش محدود نمی‌شود. صنایعی که به شفافیت کامل نیاز دارند – مانند تصویربرداری پزشکی، هوانوردی و اپتیک نظامی – نیز می‌توانند پیشرفت‌های قابل توجهی را تجربه کنند. نانوساختارهای یاقوتی می‌توانند به ایجاد تجهیزات قوی‌تر، قابل‌اعتمادتر و بادوام‌تر کمک کنند که در شرایط حساس عملکرد بهتری داشته باشند.

یک تحول اساسی در اکتشافات فضایی

در حالی که این نوآوری‌ها بر روی زمین مزایای فراوانی دارند، می‌توانند نقش مهمی در مأموریت‌های فضایی نیز ایفا کنند.

تجمع گرد و غبار یک مشکل اساسی برای فضاپیماها و کاوشگرهای سیاره‌ای است. تجهیزاتی که به ماه یا مریخ ارسال می‌شوند، اغلب با لایه‌ای از گرد و غبار پوشیده می‌شوند که بهره‌وری و عمر آنها را کاهش می‌دهد. روش‌های سنتی تمیز کردن در فضا امکان‌پذیر نیستند، بنابراین سطوح خودتمیزشونده می‌توانند یک دارایی ارزشمند برای مأموریت‌های آینده باشند.

اندرو تونل، دانشجویی که آزمایش‌های چسبندگی گرد و غبار را انجام داده است، می‌گوید:

“سطوح یاقوتی خودتمیزشونده ما می‌توانند ۹۸.۷٪ سطح را تنها با استفاده از جاذبه، عاری از گرد و غبار نگه دارند.”

این یک پیشرفت قابل توجه در مقایسه با فناوری‌های موجود برای کاهش گرد و غبار است و به‌ویژه برای فضا، جایی که آب برای تمیز کردن به راحتی در دسترس نیست، بسیار مفید خواهد بود.

آینده‌ای روشن برای فناوری یاقوت

پژوهشگران قصد ندارند در این مرحله متوقف شوند. گام بعدی آنها مقیاس‌بندی تولید و بررسی کاربردهای عملی بیشتر است. آنها قصد دارند این نانوساختارها را روی سطوح بزرگ‌تر تولید کنند، ویژگی‌های مکانیکی و شیمیایی آنها را بهبود بخشند و دامنه استفاده از آنها را گسترش دهند.

یاقوت در حال حاضر ماده‌ای مقاوم است، اما دانشمندان در حال گسترش مرزهای آن هستند. با تحقیقات آنها، این ماده می‌تواند به یکی از مهم‌ترین مواد آینده تبدیل شود.

این مطالعه در مجله Materials Horizons منتشر شده است.