ساخت میکروفیبر با اصطکاک بالا با الهام از مارمولکهای خانگی

[atila1983]

یک تیم تحقیقاتی به رهبری مهندسین دانشگاه برکلی کالیفرنیا با الهام از موهایی که به مارمولکها این امکان را می دهد تا از دیوار راست به صورت یک انگشتی آویزان شوند و همچنین بتوانند به روی سقف بدوند، آرایشی از میکروفیبرهای مصنوعی به وجود آوردند که از اصطکاک بسیار زیاد برای نگهداری بارها بر سطوح صاف بهره می برد. اصطکاک بالای این مواد می تواند از سر خوردن در بارگذاریهای زیاد یا شیبهای تند جلوگیری کند.
محققان به این حقیقت دست یافته اند که آرایش مصنوعی خاصی از فیبرهای پلی پروپیلن، می تواند یک سکه 25 سنتی را روی سطح شیشه ای با شیب 80 درجه، بدون ایجاد حالت چسبندگی نگه دارد. در هر سانتی متر مربع حدود 42 میلیون فیبر جای می گیرند که طول هر کدام از آنها تنها 20 میکرون و قطرشان 6/0 میکرون است. برای مقایسه، هر کدام از این فیبرها تقریبا 100 برابر از موی انسان نازکتر هستند. محققین به این موضوع توجه داشته اند که بر خلاف موهای مارمولک، آرایش میکروفیبر از خود چسبندگی نشان نمی دهد؛ چسبندگی، مقاومت شی را در برابر برداشته شدن از روی سطح توصیف می کند. این در حالی است که اصطکاک، مقاومت در برابر کشیده شدن یا سر خوردن در طول سطح را نشان می دهد. بنابراین، کسی نباید برای انجام دادن شیرین کاریهای مرد عنکبوتی از لباس میکروفیبری استفاده کند!!!
با این حال می توان کاربردهای مفیدی برای این آرایه های میکروفیبری متصور شد. اصطکاک زیاد و چسبندگی کم، خواصی هستند که برای محصولاتی هم چون کف کفش، لاستیکهای ماشین و وسایل گوناگون ورزشی مورد نظرند. در حال حاضر مواد نرم مانند لاستیک برای این محصولات استفاده می شوند. اما محققین به این نکته اذعان کرده اند که در مقایسه با مواد یاد شده، یک پلیمر محکم ممکن است بتواند مقاومت بیشتری را در دماهای بالا و در برابر سایش از خود نشان دهد.
رونالد فیرینگ، استاد دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه برکلی و محقق اصلی پروژه، در بین پژوهشگرانی بود که شش سال قبل، محتمل ترین نیرویی که مارمولکها را قادر می ساخت تا بتوانند به روی سقف یا دیوار حرکت تعادلی انجام دهند، شرح دادند.
آشکار شده است که مارمولکها پاهایی با 5 انگشت دارند که هر کدام از آنها از میلیونها موی ریز به نام مویک1 پوشیده شده است و هر کدام از آنها به میلیاردها رشته باریکتر در مقیاس نانو منشعب می شوند. دانشمندانی همچون رابرت فول، زیست شناس دانشگاه برکلی، کلر آتمن، زیست شناس کالج لوییس و کلارک2 و توماس کنی، مهندس دانشگاه استانفورد، به این موضوع دست یافتند که شبکه موهای مارمولک پیوندهای بین مولکولی از نوع واندروالسی با سطح تشکیل می دهند. نقش این نیروها تنها هنگامی که سطوح بسیار به هم نزدیک می شوند نمایان می گردد. وقتی که میلیونها موی مارمولک این نوع پیوند را برقرار می کنند، در کنار هم پیوند قدرتمندی را ایجاد می کنند که صدها بار از نیروی مورد نیاز برای معلق شدن مارمولک قویتر است.
دو سال بعد اعضای همان تحقیق، موهای مارمولک را طوری ترکیب کردندکه در آنها خاصیت چسبندگی به وجود آمد و اولین آزمایش مستقیم شناسایی سازوکار نیروهای واندروالس را برای چسبندگی موهای پای مارمولک ترتیب دادند. جالب است بدانیم توانایی مارمولک برای برقراری و قطع اتصال با یک سطح به میزان 15 بار در ثانیه است. مارمولک می تواند این کار را خیلی خوب انجام دهد و نحوه این عملکرد هنوز آشکار نشده است.
این تحقیق جدید یعنی ساختن آرایشهای میکروفیبری به منظور نگه داشتن شی بر روی سطحی صاف توسط اصطکاک، کماکان در نیمه راه رسیدن به مقصود است.
هر چه تعداد فیبر بیشتری با سطح در تماس باشد، اصطکاک بیشتری تولید می شود. محققان تخمین زده اند که هر فیبر 200 نانو نیوتن مقاومت برشی برای سطح تولید می کند. این در حالی است که تنها 39 نانو نیوتن برای خمش یکی از فیبرهای نانو پروپیلن کافی است. یک نانو نیوتن، یک میلیارد بار کوچکتر از نیرویی است که جاذبه زمین به یک سیب اعمال می کند. برای مقلیسه، یک ضربه بر صفحه کلید کامپیوتر عموما به 700 میلیون نانو نیوتن نیاز دارد.
این پژوهش توسط آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته صنایع دفاع3 و سازمان ملی علوم آمریکا4 پشتیبانی می شود.

منبع:
نشریه دانشجویی علمی-پژوهشی افق، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی امیر کبیر، سال دهم، شماره 17، پاییز 86

پی نوشت:

1. Seta (pl. state)
2. Lewis & Clark
3. Defense advanced research projects
4. National science foundation

[Mahdi_ba]

متشکر مقاله جالبی بود.