آزمایش‌ها نشان می‌دهند که می­توان با یک میدان مغناطیسی، آرایش پلیمرها را ساماندهی کرد. پلیمرها قادرند موادی را متشکل از حوزه هایی با شکل‌های استوانه‌ای یا ورقه ای تشکیل دهند. اکنون پژوهش‌گران نشان داده‌اند که می­توان حوزه‌های شبه‌ورقه‌ای را، با استفاده از یک میدان مغناطیسی، هم‌راستا سازند. کنترل جهت‌گیری این حوزه‌ها در تولید قطعات نانوفیلتری و باتری‌های پیشرفته امری مفید بوده و جزء فناوری‌های «انرژی پاک» محسوب می­شود.

پژوهش‌گران برای آن­که بتوانند از ویژگی‌های دو یا چند پلیمر در درون یک ماده‌ بهره ببرند، «کوپلیمرهای بلوک» را توسعه‌داده‌اند. یک مثال ساده از این نوع مواد یک مولکول یا زنجیره‌ی طولانی است که نصفِ آن متشکل از مونومرهای مکرر نوع A و نصف دیگر آن شامل منومرهای نوع B است- دو پلیمر «بلوک» بهم پیوند می‌خورند. تحت شرایط مناسب با بسیاری از چنین مولکول‌های مخلوط‌شده­ای٬ هر بلوک سعی خواهد داشت تا با پلیمری از نوع خود باقی بماند. این وابستگی می‌تواند ساختارهای بزرگ‌مقیاس مختلفی را تولید کند، مانند حوزه ی ورقه‌های متناوبی از بلوک‌های A و ‌B که لامِلی (lamellae) یا استوانه‌های A درون ماتریس B نامیده می‌شوند. این به اصطلاح حوزه‌ها با جهت‌گیری‌های کاتوره ای و اتفاقی ظاهر می شوند اما هم‌راستاسازی آن‌ها می‌تواند مفید باشد. برای مثال اگر این حوزه‌ها استوانه‌ای باشند با حل کردن برخی از این استوانه ها، کانال‌هایی توخالی ایجاد شده و یک غربال نانومقایس را تولید خواهد کرد. با هم‌راستاسازیِ استوانه‌ها می توان توانِ چنان غربالی را بیشینه می‌سازد.

پیش‌تر پژوهش‌گران از میدان‌های الکتریکی برای همراستاسازیِ بلوک حوزه‌های کوپلیمرها استفاده کرده‌اند [1]؛ تکنیکی که به اختلاف پاسخ میدان الکتریکی دو بلوک پلیمری اتکا دارد. با این وجود این اثر ضعیف بوده و به این معنی است که میدان‌های الکتریکیِ قوی نیاز خواهد بود؛ عملی که موجب تخریب پلیمر می­شود.

چندین پژوهش‌گر با بهره‌گیری از به اصطلاح ناهمسانگردی مغناطیسی در تلاش بوده‌اند تا از میدان‌های مغناطیسی برای هم‌راستاسازی پلیمرها استفاده کنند؛ ناهمسانگردی مغناطیسی عبارت است از اختلاف در پاسخ مغناطیسیِ یک مولکول، زمانی که دو جهت مختلف میدان باهم مقایسه می‌شوند. اگر یک حوزه، ناهمسانگردیِ مغناطیسی داشته باشد٬ تمایل خواهد داشت تا در راستای ویژه‌ای با میدان مغناطیسی هم راستا گردد اما ناهمسانگردیِ مغناطیسی اغلب برای تولید یک اثرِ قابل ملاحظه بسیار کوچک است. برخی از محققان به جای آن، مولکول‌های کوچک بلوری مایع را به پلیمرها چسبانده‌اند تا ناهمسانگردیِ مغناطیسی را افزایش دهند. هرچند این فناوری موثر است اما اغلب پیچیده و زمان‌بر است.

به گفته‌ی چیندیوم اسوجی (Chinedum Osuji) از دانشگاه ییل٬ زمانی که «ما کشف کردیم که وجود گروه‌های بلوری مایع برای هم‌راستا سازی میدان ضروری نیست»، اتصال مولکول‌های بلوری مایع را به کوپلیمرهای بلوک مورد مطالعه قرار دادیم. به بیان وی :«این نتیجه واقعاً شگفت‌آور بود». کوپلیمرهای بلوکی که آن‌ها استفاده کرده‌اند PS-b-P4VP نامیده می‌شود که شامل پلی‌استرین و یک پلیمر مشابه poly(4-vinylpyridine) است.

برای مطالعه‌ی هم راستاسازی٬ پژوهش‌گران نمونه‌های PS-b-P4VP را به بالاتر از یک دمای معین حرارت داده و سپس به آرامی در یک میدان مغناطیسی سرد کرده‌اند؛ دمایی که حوزه‌ها در آن به دلیل تلنگرهای حرارتی (۲۵۷ درجه سلسیوس) از هم گسیخته می‌شوند. آن‌ها جهت‌گیریِ حوزه‌ها را با استفاده از پراکندگیِ اشعه‌ی X اندازه گرفته و دریافته‌اند که این جهت‌گیری با افزایش شدت میدان و کاهش آهنگِ سردسازی بهبود می‌یابد. بالاترین درجه از جهت‌گیری، در بیشینه‌میدان (۶ تسلا) و آرام‌ترین آهنگ سردسازی (۰/۱ درجه سلسیوس بر دقیقه) رخ داده است.

اوسوجی و همکارانش ناهمسانگردیِ مغناطیسی را به روش جدیدی نیز تخمین زده‌اند. آن‌ها برای تقریب زدن کشیدگیِ یک بلوک کوپلیمر در طول بین‌سطحیِ A/B در یک ورقه‌ی لامِلی٬ پلیمر A (پلی‌استرین) را که از یک انتها به سطح ثابتی چسبیده و انتهای دیگر آن آزاد است شبیه‌سازی کرده‌اند. به بیان اسوجی ناهمسانگردیِ تخمین‌زده شده بیشتر از حد انتظار بود؛ حدود ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از آن‌چه پژوهش‌گران پیشین فرض کرده‌بودند. به گفته‌ی وی: «جای شگفتی در این مورد آن بود که ناهمسانگردیِ مغناطیسی از اندازه‌ی کافی برخوردار بود تا با میدان‌های با شدتِ معقول اندرکنش داشته باشد».

این پژوهش‌گران معین کرده‌اند که ساختار حلقوی موجود در هر بخش از مونومر PS-b-P4VP (به دلیل جهت‌گیریشان در لامِلی) در ناهمسانگردیِ معناطیسیِ بزرگ‌اش سهم دارد. حلقه‌ها ناهمسانگردیِ بزرگ‌تری نسبت به زنجیره‌ها دارند چون یک میدان مغناطیسیِ خارجی می‌تواند به یمن الکترون‌های سیار حلقه٬ میدانی را در جهت محور حلقه بسیار آسان‌تر از صفحه‌ی حلقه ایجاد کند. جریان الکترون‌های جاری شده حول حلقه از میدان روی محور طرف‌داری می‌کند که به نوبه‌ی خود تمایل محور حلقه را برای همراستا شدن در جهت میدان خارجی ایجاد می‌کند.

به گفته‌ی نیتاش بالسارا (Nitash Balsara) یک مهندس شیمی از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی: «این کشف پتانسیل آن را دارد تا دامنه‌ی کاربردهای میدان‌های مغناطیسی را به بیش از آن‌چه درنظر گرفته شده بود گسترش دهد». به بیان وی این فناوری می‌تواند لایه‌های پلیمری بالقوه ای را تولید کند که برای «ایجاد گستره‌ی وسیعی از فناوری‌های انرژی پاک نسل بعدی (همچون سلول‌های سوخت هیدروژنی٬ باتری‌های لیتیومی و فوتوسنتز مصنوعی) ضروری خواهد بود».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

کاترین کرنای (Katherine Kornei) نویسنده‌ی علمی آزاد از پورتلند اورگان است.

مرجع:

1. A. Böker, H. Elbs, H. Hänsel, A. Knoll, S. Ludwigs, H. Zettl, V. Urban, V. Abetz, A. H. E. Müller, and G. Krausch, “Microscopic Mechanisms of Electric-Field-Induced Alignment of Block Copolymer Microdomains,” Phys. Rev. Lett. 89, 135502 (2002).

منبع:

Magnetic Field Aligns Polymer Structures