پژوهش‌گران ساختار ستاره‌شکلی را بوجود آورده‌اند که حجم آن با افزایش دما کاهش می‌یابد. با ترکیب این فناوری با ساختارهای سنتی می‌توان به موادی دست یافت که تغییرات دمایی، انبساط و انقباض در آن ماده ایجاد نکند.

  اغلب مواد جامد با گرفتن گرما منبسط می‌شوند اما مقدار اندکی چروک‌شدگی نیز دارند. اکنون تیمی از مهندسان کامپوزیتی را ساخته‌اند که با گرما منقبض می‌شود. آن‌ها برای ساخت این کامپوزیت از ترکیبی از دو ماده‌ استفاده کرده‌اند که وقتی در معرض گرما قرار می‌گیرند منبسط می‌شوند. این ساختارهای ستاره‌شکل وقتی گرما می‌بینند در هر سه بعد منقبض می‌شوند درحالیکه ساختارهای قبلی از این نوع تنها در دوبعد این رفتار را از خود نشان داده اند. بعلاوه این پژوهش‌گران توانسته‌اند درجه‌ی انقباض حرارتی را با تغییر مقدار مس اضافه‌شده به یکی از مواد تنظیم کنند. با استفاده از کامپوزیت‌های چروک‌پذیر بهمراه مواد سنتی می‌توان به ساختارهایی دست یافت که شکل خود را در گستره‌ی وسیعی از دماها حفظ می‌کنند. این مواد به شکل بالقوه ماده‌ی خوبی برای چارچوب پنجره‌ها، لوله‌های آب و فناوری‌های فضایی هستند.

  بسیاری از مواد، از سخت‌افزارهای بر روی ایستگاه فضایی گرفته تا لوله‌های زیر خیابان‌ها، تغییرات دمایی را تجربه می‌کنند. این تغییرات دمایی در طول چرخه‌های مکرر از انبساط‌ها و انقباض‌ها باعث ایجاد تنش در ماده می‌شوند. برای ایجاد ساختاری که اندازه‌اش با دما تغییر نکند می‌توان ماده‌ای که در اثر حرارت منبسط می‌شود را با ماده‌ای که در اثر حرارت چروک می‌خورد ترکیب کرد. این موادِ چروک‌خورنده یک ویژگی دارند که به انبساط گرمایی منفی (NTE) معروف است.

  کار با شیمی برای رسیدن به اندرکنش اتمی ویژه‌ی لازم برای NTE فرآیندی حساس و وقت‌گیر است. درعوض پژوهش‌گران به تکرار خمش و پیچشی که NTE را در برخی جامدات باعث می‌شود، پرداخته‌اند. آن‌ها این کار را با طراحی مواد در مقیاس نانو انجام داده‌اند. این رهیافت به فرآیند ساخت سرعت داده و ساختارهای بدست آمده ذاتاً تنظیم‌پذیرترند – افزایش سرعت یک الگو در مقایسه با تغییر ساختار اتمی ماده کار آسان‌تری است.

  نطریه‌پردازان پیش‌بینی کرده‌اند که NTE بتواند در ساختارهای نامعتبر حاصل شود؛ موادی که در آن‌ها دو ماده‌ی مختلف در یک ترکیب‌بندی مش‌مانند بهم گره می‌خورند [2,3]. اگر این دو ماده با افزایش دما با آهنگ‌های متفاوتی منبسط شوند، دیواره‌های ساختار می‌توانند به داخل تا بخورند و فضاهای خالی را پر کرده و نهایتاً فضای کمتری را اشغال کنند. با این حال پژوهش‌گران تاکنون کار خود را به پیچیدگی ساختارهایی و موادی محدود ساخته‌اند که می‌توانند تولید کنند. برای ساخت این ساختارهای پیچیده دو ماده‌ی مختلف به شکل همزمان در هندسه‌های درهم‌تنیده‌ای قرار می‌گیرند؛ کاری که انجام آن در روش‌های ساخت سنتی مواد دشوار است.

  نیکولاس فانگ (Nicholas Fang) از موسسه‌ی فناوری ماساچوست و همکارانش یک فناوری چاپ سه‌بعدیِ جدید را محقق فراهم کرده‌اند که می‌تواند این چالش را مرتفع کند. با الهام از ساختارهای اتمی شبیه هشت‌وجهی از جامدات NTE پژوهش‌گران مجموعه‌ای از ساختارهای ستاره‌شکل متشکل از هرم‌ها را طراحی کرده‌اند که محاسبات آن‌ها نشان داده که با حرارت دادن منقبض خواهد شد. برای آن‌که بتوان این ستارگان را به درون خودشان خم کرد به ستون‌های داخلی نیاز است که از ماده‌ای ساخته شده باشد که انبساط گرمایی بزرگتر داشته باشد. این تیم پیش‌بینی کرده‌اند که چنان‌که این ستون‌ها منبسط شوند، چارچوب خارجی نیروی را به ستون‌ها وارد می‌کند تا ستاره را به فضای خالی درونش تاکند (ویدیو را ببینید).

  آن‌ها در طرح خودشان از روش پرینت سه‌بعدی که اخیراً توسعه‌یافته استفاده کرده‌اند. در این روش با استفاده از دو ماده‌ی مختلف [4] عمل پرینت انجام می‌شود. آن‌ها ستون‌ها و چارچوب‌ها را از پلیمر یکسانی پرینت کرده‌اند اما نانوذرات مس را به درون ماده‌ی چارچوب وارد کرده‌اند. نانوذرات، انبساط دمایی ماده‌ی چارچوب را کاهش داده و عدم‌تطابق کافی با ستون‌ها را برای شروع تاخوردنی که انتظار می‌رود، ایجاد می‌کنند.

  فانگ و همکارانش مجموعه‌ای از ساختارهای مشابه را حرارت داده و دریافته‌اند که چروکیدگی حول ۳۷۰ کلوین شروع می‌شود و تا ۵۳۰ کلوین (بیشینه دمای آزمایش آن‌ها) ادامه می‌یابد. کل کاهش حجم تا ۱ درصد بوده اما شدیداً به غلظت مس در ماده‌ی چارچوب بستگی دارد. با ده درصد حجمی از مس، تغییر اندازه ۳ برابر بیشتر از ۲ درصد مس است. این قابلیت تنظیم دقیق اثر NTE ، به ماده این امکان را می‌دهد تا برای تطبیق آن با نیازهای لازم و برای هر شرایطی بتوان آن را مهندسی کرد.

  این تیم نشان داده‌اند که می‌توان مواد NTE ای را «با طراحی و انتخاب دقیق مواد تشکیل‌دهنده» ایجاد کرد. این را جولیا گریگر (Julia Greer) از موسسه‌ی فناوری کالیرفرنیا در پاسادنا می‌گوید. جایی‌که تمرکز پژوهشی او بر روی مواد سه بعدی پیشرفته قرار دارد.  به بیان او این کار «مسیری را به سوی مواد با انبساط صفر ایجاد می‌کند که به اجتناب از بسیاری از شکست‌های مکانیکی که امروزه با آن روبرو هستیم واقعاً کمک می‌کند؛ چیزی‌که تحت محیط‌های ترمومکانیکی شدید بوجود می‌آید.

این پژوهش در مجله فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.     

درباره‌ی نویسنده:

کاترین رایت کمک‌ویراستار مجله‌ی فیزیک است.

مرجع‌ها:

1. J. N. Hancock, C. Turpen, Z. Schlesinger, G. R. Kowach, and A. P. Ramirez, “Unusual Low-Energy Phonon Dynamics in the Negative Thermal Expansion Compound ZrW2O8ZrW2O8,” Phys. Rev. Lett. 93, 225501 (2004).
2. R. Lakes, “Cellular Solids with Tunable Positive or Negative Thermal Expansion of Unbounded Magnitude,” Appl. Phys. Lett. 90, 221905 (2007).
3. O. Sigmund and S. Torquato, “Composites with Extremal Thermal Expansion Coefficients,” Appl. Phys. Lett.69, 3203 (1996).
4. J. W. Choi, H. C. Kim, and R. Wicker, “Multi-material Stereolithography,” J. Mater. Process. Technol. 211, 318 (2011).

منبع:

3D Structure Shrinks When Heated