* קשה אך ניתן למתוח: מדענים יוצרים חומר חדש "בלתי ניתן לשבירה".

חוקרים פיתחו סוג חדש של חומרים המכונה ג'לים מזכוכית, המשלבים את הקשיות של פולימרים מזכוכית עם יכולת המתיחה של הג'לים.

חומרים אלו שומרים על תכולת נוזלים של מעל 50%, משפרים את גמישותם ותכונות ההדבקה שלהם. תהליך הייצור כולל ערבוב מבשרי פולימר עם נוזל יוני ואשפרה עם אור אולטרה סגול, המאפשר ייצור קל ופוטנציאל ליישום נרחב בתעשיות כמו אלקטרוניקה ומכשור רפואי.

מדענים יוצרים סוג חדש של חומרים הנקראים "ג'לים מזכוכית"

מדענים המציאו סוג חדש של חומרים הנקראים "ג'לים מזכוכית" שקשה מאוד וקשה לשבור אותם למרות שהם מכילים יותר מ-50% נוזלים. יחד עם העובדה שג'לים זכוכיתיים הם פשוטים לייצור, החומר טומן בחובו הבטחה למגוון יישומים.

ג'לים ופולימרים זגוגיים הם סוגים של חומרים שנראו היסטוריים כמובדלים זה מזה. פולימרים זכוכיתיים הם קשים, נוקשים ולעתים קרובות שבירים. הם רגילים ליצור דברים כמו בקבוקי מים או חלונות מטוסים. ג'לים – כמו עדשות מגע – מכילים נוזלים והם רכים ונמתחים.

עיצוב חומרים חדשני

"יצרנו סוג של חומרים שכינינו ג'לים זכוכיתיים, שהם קשים כמו פולימרים זכוכיתיים, אבל – אם תפעיל מספיק כוח – יכולים להימתח עד פי חמישה מאורכם המקורי, במקום להישבר", אומר מייקל דיקי, מחבר מקביל של מאמר על העבודה ופרופסור קמיל והנרי דרייפוס להנדסה כימית וביו-מולקולרית ב- אוניברסיטת צפון קרולינה סטייט. "יתרה מכך, לאחר שהחומר נמתח, ניתן לגרום לו לחזור לצורתו המקורית על ידי הפעלת חום. בנוסף, פני הג'לים הזכוכיים הינם דביקים במיוחד, מה שיוצא דופן לחומרים קשים".

"דבר מפתח שמייחד ג'לים זכוכיתיים הוא שהם יותר מ-50% נוזליים, מה שהופך אותם למוליכי חשמל יעילים יותר מאשר פלסטיק רגיל שיש לו מאפיינים פיזיקליים דומים", אומר Meixiang Wang, מחבר משותף של המאמר ופוסט-דוקטורט. חוקר ב-NC State.

"בהתחשב במספר התכונות הייחודיות שיש להם, אנחנו אופטימיים שהחומרים האלה יהיו שימושיים", אומר וואנג.

ייצור ומאפיינים

ג'לים זכוכיתיים, כפי שהשם מרמז, הם למעשה חומר המשלב כמה מהתכונות האטרקטיביות ביותר של פולימרים זכוכיתיים וג'לים. כדי להכין אותם, החוקרים מתחילים עם מבשרי הנוזל של פולימרים זכוכיתיים ומערבבים אותם עם נוזל יוני. את הנוזל המשולב הזה יוצקים לתבנית ונחשפים לאור אולטרה סגול, ש"מרפא" את החומר. לאחר מכן מסירים את התבנית ומשאירים מאחוריו את הג'ל הזגוגי.

"הנוזל היוני הוא ממס, כמו מים, אבל עשוי כולו מיונים", אומר דיקי. "בדרך כלל כאשר מוסיפים ממס לפולימר, הממס דוחק את שרשראות הפולימר, מה שהופך את הפולימר לרך וניתן למתיחה. זו הסיבה שעדשת מגע רטובה היא גמישה ועדשת מגע יבשה לא. בג'לים זכוכיתיים, הממס דוחק את השרשראות המולקולריות בפולימר זה מזה, מה שמאפשר למתוח אותו כמו ג'ל. עם זאת, היונים בממס נמשכים מאוד לפולימר, מה שמונע את תנועת שרשראות הפולימר. חוסר היכולת של שרשראות לנוע הוא מה שהופך אותו לזכוכית. התוצאה הסופית היא שהחומר קשה בגלל כוחות המשיכה, אבל עדיין מסוגל להימתח בגלל המרווח הנוסף".

צדדיות ופוטנציאל יישום

החוקרים מצאו שניתן לייצר ג'לים מזכוכית עם מגוון רחב של פולימרים ונוזלים יוניים, אם כי לא ניתן להשתמש בכל סוגי הפולימרים ליצירת ג'לים מזכוכית.

"פולימרים טעונים או קוטביים מחזיקים בהבטחה לג'לים זכוכיתיים, מכיוון שהם נמשכים לנוזל היוני", אומר דיקי.

בבדיקה, החוקרים גילו שהג'לים הזגוגיים אינם מתאדים או מתייבשים, למרות שהם מורכבים מ-50-60% נוזלים.

"אולי המאפיין המסקרן ביותר של הג'לים הזכוכיתיים הוא מידת הדבקות שלהם", אומר דיקי. "מכיוון שאנחנו מבינים מה הופך אותם לקשים וניתנים למתיחה, אנחנו יכולים רק לשער מה הופך אותם לדביקים כל כך."

יישומים מעשיים ואאוטלוק עתידי

החוקרים גם חושבים שלג'לים זכוכיתיים יש הבטחה ליישומים מעשיים מכיוון שהם קלים להכנה.

"יצירת ג'לים זכוכיתיים היא תהליך פשוט שניתן לעשות על ידי ריפויו בכל סוג של תבנית או על ידי הדפסה תלת מימדית", אומר דיקי. "רוב הפלסטיקים בעלי תכונות מכניות דומות דורשים מהיצרנים ליצור פולימר כחומר הזנה ולאחר מכן להעביר את הפולימר למתקן אחר שבו הפולימר נמס ויוצר לתוצר הסופי.

"אנו נרגשים לראות כיצד ניתן להשתמש בג'לים מזכוכית ופתוחים לעבוד עם משתפי פעולה על זיהוי יישומים לחומרים אלו."

המאמר, "Glassy Gels Toughened by Solvent", פורסם ב-19 ביוני בכתב העת טֶבַע.

המחבר הראשי של המאמר הוא Xun Xiao מאוניברסיטת צפון קרוליינה בצ'פל היל. המאמר נכתב בשיתוף סלמה סידיקה, Ph.D. סטודנט במדינת NC; מוחמד שמסי, לשעבר Ph.D. סטודנט במדינת NC; איתן פריי, לשעבר תואר ראשון במדינת NC; ברנדן אוקונור, פרופסור להנדסת מכונות וחלל במדינת NC; Wubin Bai, פרופסור למדעים פיזיקליים יישומיים ב-UNC; וון צ'יאן, פרופסור חבר מחקר להנדסת מכונות וחומרים באוניברסיטת נברסקה-לינקולן.

העבודה נתמכה חלקית במימון המכון ללימודי חוף.