“مركبات معقدة” غريبة تكسر قواعد الزجاج والبلاستيك

يقول الباحثون إن “المعقدات” – وهي المواد التي يمكن تشكيلها مثل زجاج النوافذ ولكنها تقاوم التأثيرات مثل البلاستيك – لا ينبغي أن تكون موجودة. ومع ذلك، فإن بضعة جرامات من إحدى هذه المواد موجودة في مختبر بجامعة فاجينينجن في هولندا.

في اتصالات الطبيعةيصف الكيميائي الفيزيائي في فاجينينجن جاسبر فان دير جوشت وفريقه ما يجعل المجمعات قابلة للذوبان مثل الزجاج ولكن يصعب كسرها مثل البلاستيك. في يوم من الأيام، يمكن لهذه الأشياء المتناقضة أن تسهل تصميم وإصلاح معدات الحماية القوية مثل الخوذات.

زجاج النوافذ، الذي يسمى السيليكا، ومعظم المواد البلاستيكية عبارة عن مواد “زجاجية”، فعندما تبرد من حالتها السائلة، فإنها لا تتصلب إلى بلورات ذات ذرات مرتبة بشكل أنيق كما يفعل الماء عندما يتجمد ويتحول إلى جليد. وبدلاً من ذلك فإنها تشكل كتلة غير متبلورة تبدو وكأنها مادة صلبة ولكنها تحتوي على ذرات مرتبة عشوائيًا مثل السائل.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

لعقود من الزمن، اعتقد العلماء، بناءً على الملاحظات التجريبية، أنه كلما انخفض معدل انصهار المادة الزجاجية، قل التأثير الذي يمكن أن تتحمله. يلتزم كل من زجاج النوافذ البطيء الذوبان والبلاستيك سريع الذوبان بهذه القاعدة: فالأول يتغير حالته ببطء ولكنه ينكسر بسهولة، في حين أن الأخير يتصلب ويذوب فجأة ولكن يمكنه تحمل التأثير بشكل أفضل. لكن فان دير جوشت وفريقه وجدوا أن المجمعات تتحدى هذا القانون تمامًا. يمكن أن تكمن الحيلة في بنية المادة: سلاسلها الطويلة من الجزيئات، التي تسمى البوليمرات، ترتبط معًا بنوع بعيد المدى من الروابط.

ابتكر الباحثون في البداية مواد معقدة، وهو مصطلح صاغوه، كبديل قابل لإعادة التدوير بسهولة لنوع من البلاستيك يسمى بالحرارة. تتكون المواد المتصلبة بالحرارة من سلاسل بوليمر متماسكة بإحكام بواسطة روابط كيميائية يصعب كسرها للغاية، مما يجعلها مستقرة للغاية ولكن من الصعب إعادة تدويرها. أضاف الباحثون جزيئات مشحونة، مما جعل السلاسل تتشبث ببعضها البعض باستخدام نوع من الروابط الأيونية “الأضداد تتجاذب” بدلاً من ذلك، وقاموا بدمج مركبات طاردة للماء لمنع السلاسل من التفكك في الماء. يقترح الفريق أن التفاعلات الأيونية للجزيئات المشحونة – التي تصمد على مسافات أطول من الروابط الكيميائية السابقة – قد تساعد المجمعات على البقاء مضغوطة بدلاً من التوسع السريع لتذوب فورًا عند تسخينها.

يقول المهندس الكيميائي بجامعة شيكاغو ماثيو تيريل، الذي لم يشارك في العمل، إن التفاعلات الأيونية يمكن أن تحسن الخواص الميكانيكية للمواد المكونة للزجاج وتجعل العمل بها أسهل.

ويعني الذوبان البطيء أيضًا أن إصلاح الأجسام القائمة على المعقدات أسهل من تلك المصنوعة من المواد المتصلبة بالحرارة؛ يقول فان دير جوشت: “بمجرد تسخينه باستخدام مسدس حراري، يمكنك إصلاح خدش أو شرخ”.

يقول كلا الباحثين أن هذه المادة التي تتحدى القواعد يمكن أن تمنح الفيزيائيين فهمًا أفضل لكيفية تشكل الزجاج، وهي ظاهرة تسمى التزجج. يقول فان دير جوشت إن العثور على هذه التفاعلات طويلة المدى التي تجعل المواد الزجاجية تذوب بشكل مختلف، “من شأنه أن يساعد العلماء النظريين على تفسير التزجج بمعنى أكثر عمومية”.

حان الوقت للدفاع عن العلم

إذا استمتعت بهذا المقال، أود أن أطلب دعمكم. العلمية الأمريكية لقد عمل كمدافع عن العلوم والصناعة لمدة 180 عامًا، وربما تكون اللحظة الحالية هي اللحظة الأكثر أهمية في تاريخ القرنين.

لقد كنت العلمية الأمريكية مشترك منذ أن كان عمري 12 عامًا، وقد ساعد ذلك في تشكيل الطريقة التي أنظر بها إلى العالم. SciAm يثقفني ويسعدني دائمًا، ويلهمني شعورًا بالرهبة تجاه عالمنا الواسع والجميل. وآمل أن يفعل ذلك بالنسبة لك أيضا.

إذا كنت الاشتراك في العلمية الأمريكيةأنت تساعد في ضمان أن تغطيتنا تركز على البحث والاكتشاف الهادف؛ وأن لدينا الموارد اللازمة للإبلاغ عن القرارات التي تهدد المختبرات في جميع أنحاء الولايات المتحدة؛ وأننا ندعم العلماء الناشئين والعاملين على حد سواء في وقت لا يتم فيه الاعتراف بقيمة العلم نفسه في كثير من الأحيان.

وفي المقابل، تحصل على الأخبار الأساسية، ملفات بودكاست آسرة، ورسوم بيانية رائعة، لا يمكنك تفويت النشرات الإخبارية ومقاطع الفيديو التي يجب مشاهدتها، ألعاب التحدي، وأفضل الكتابة والتقارير في عالم العلوم. يمكنك حتى إهداء شخص ما اشتراكًا.

لم يكن هناك وقت أكثر أهمية بالنسبة لنا للوقوف وإظهار أهمية العلم. آمل أن تدعمونا في تلك المهمة.