رتاکسان (Rotaxanes) ماده ای است که برای حفظ سلامت بسیار مفید است و در مواد غذایی که به عنوان مواد بسیار مفید و مغذی شناخته می شوند بسیار یافت می شود. این ماده به شما کمک می کند که یک پوست زیبا داشته باشید، وزن خود را کاهش دهید و تا سن 200 به مانند یک فرد 20 ساله به نظر برسید. رتاکسان ها مولکول هایی به شکل حلق های هستند و قادر هستند انرژی را که به صورت نور، گرما یا PH تغییر یافته، دریافت می کنند به انرژی حرکتی تبدیل کنند و مولکول ها را به حرکت در بیاورند. به عبارت دیگر، آنها در پاسخ به یک تحریک بیرونی حرکت می کنند. آنها همچنین به عنوان ماشین های در ابعاد نانو شناخته می شوند.
دکتر Chenfeng Ke و تیم آزمایشگاهیاش در دانشگاه Dartmouth از رتاکسان برای طراحی مواد هوشمند فوق قوی استفاده کرده اند. با استفاده از مولکولهای در ابعاد نانو، آنها قادر بودند که پلیمر مکعبی شکل مشبک در ابعاد ماکرو بسازند که قادر است اجسامی تا 17 برابر وزن خودش را بلند کند. چیزی شبیه به اینکه یک انسان یک ماشین را بلند کند.
دکتر Ke می گوید: طراحی ما بر اساس مولکول های رتاکسان بوده است. آنها چندین حلقه در یک محور مولکولی دارند. در ماده جدید ما، حلقه یک قند حلقه ای است و محور یک پلیمر است. اگر یک محرک خارجی اعمال کنیم، مانند آب، این حلقه ها به صورت رندوم به جلو و عقب به حرکت در خواهند آمد و به هم می چسبند و یک بردار تیوب مانند را تشکیل می دهند. موقعی که این اتفاق می افتد سختی مولکول را تغییر می دهد. این حالت شبیه عبور دانه های تسبیه از نخ آن می باشد و وقتی که این دانه ها کاملا کنار هم قرار می گیرند باعث می شوند نخ قوی تر شود، به مانند یک تکه چوب.
هدف دکتر Ke و تیمش این بود که پلیمری از بیلیون ها مولکول که با استفاده از آب به هم چسبیده اند بسازد. مشکل این کار زمانی است که مولکول های رتاکسان به صورت رندوم تغییر جهت می دهند حلقه های آنها همدیگر را خنثی می کنند و عملا بدون فایده است. با این حال، پرینت سه بعدی به محققان اجازه می دهد که حرکات آنها را کنترل کنند.
دکتر Ke ادامه می دهد: تکنولوژی پرینت سه بعدی به ما اجازه داد که حرکات لرزشی و رندوم حلقه های با ابعاد نانو را به مواد هوشمند و در ابعاد ماکرو تبدیل کنیم. قرار دادن مولکول ها در یک خط راست و جهت مناسب باعث افزایش و تقویت حرکات آنها می شود. وقتی که به مولکول های رتاکسان آب اضافه می کنیم، حلقه های پلی رتاکسان از طریق اتصالات هیدروژنی به هم می چسبند. سپس ستون های لوله ای تشکیل شده از چسبیدن حلقه ها، به صورت منظم به هم می چسبد.
وقتی که مولکول ها در این آرایش هستند بهتر می توان آنها را با هم هماهنگ کرد در مقایسه با حالتی که حلقه ها به صورت آزادانه در طول محور حرکت می کنند. ما موفق شدیم با استفاده از ثابت نمودن حلقه ها در موقعیت های مناسب، ساختارهای مشبک سه بعدی پرینت کنیم. حالا، دیگر مولکول ها به صورت رندوم در طول ماده قرار نگرفته اند.
زمانی که ساختارها پرینت شدند، تیم دکتر Ke آنها را Cure می کرد و از آنها استفاده می نمود. ساختار مکعبی مشبک، توخالی، پرینت شده کار را برای اصلاح و تغییر شکل بسیار ساده می کند. با استفاده از یک محلول به عنوان کاتالیست، تیم قادر بود که ساختارهای متشکل از کنار هم قرار گرفتن حلقه ها را، از حالت ثابت به متحرک و برعکس برگرداند. به عبارت ساده تر، آنها با اضافه کردن و برداشتن یک حلال باعث می شدند که مکعب بزرگ شود و یک شیء را همراه خودش بلند کند و سپس به شکل اصلی خود بازگردد.
مکعب پرینت شدة سه بعدی یک سکه را به اندازة 1.6 میلیمتر بلند کرد. شاید این مقدار کوچک به نظر برسد ولی یک گام بزرگ رو به جلو در زمینة ماشین های با ابعاد نانو و استفاده از آنها در ابعاد ماکرو می باشد.
ما امیدواریم که این پیشرفت دانشمندان را قادر سازد که مواد و وسایل هوشمند را بیشتر توسعه دهند. برای مثال، با اضافه کردن انقباض و پیچش به حرکت افزایشی، مولکول ها می توانند به عنوان ربات های نرم برای انجام کارهای پیچیده، همانند دست انسان، استفاده شوند.
این آزمایش بر اساس تحقیق انجام شده توسط Jean-Pierre Sauvage، J. Fraser Stoddart و Bernard L. Feringa، که برنده جایزه نوبل نیز گردید، انجام شد. تحقیق کامل تیم دکتر Ke را می توانید در مقالة: Ring Shuttling Controls Macroscopic Motion in a Three-Dimensional Printed Polyrotaxane Monolith بخوانید.
Graphene یک ماده است که هیجان زیادی را، در صنعت پرینت سه بعدی و فراتر از آن، تولید کرده است. آن بیش از 100 بار قوی تر از فولاد است، سبک است و رسانای فوق العاده ی الکتریسیته و گرما است. تنها مشکل گرافین، به نظر می رسد، این است که تولید در تعداد زیاد مشکل است، یا حداقل تا به امروز. محققان در دانشگاه Rice و دانشگاه Tianjin در حال تلاش هستند که این چالش را از پیش رو بردارند، آنها توسط پرینت سه بعدی قطعات گرافین چندسانتی متری، به نتایجی دست یافته اند.
این تحقیق در مقاله ای با عنوان “Three-Dimensional Printed Graphene Foams,” چاپ شده است و از طریق لینک زیر قابل دسترسی است:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b01987
این دستاورد می تواند منتج به تولید انبوه گرافین برای کاربردهای صنعتی شود.
James Tour، شیمیدان دانشگاه Rice و یکی از نویسندگان مقاله ی اشاره شده، می گوید: این تحقیق در نوع خود اولین است. ما نشان داده ایم چگونه می توان از مواد نانوگرافینی کف گرافین سه بعدی ساخت، و این روش مناسب کاربردهای additive manufacturing است.
در سال 2016، محققان در آزمایشگاه دانشگاه Tour شروع به ساخت کف گرافینی با استفاده از نیکل، لیزر، و شکر پودر شده کردند. امسال، آنها تحقیق خود را با تقویت این کف با لوله های بسیار کوچک (در حد نانو) کربنی، ادامه دادند و یک ماده به نام "گرافین تقویت شده" ساختند. این گرافین تقویت شده به اندازه ای مستحکم بود که تا 3000 برابر وزن خود را می تواند تحمل کند و در عین حال شکل خود را حفظ می کند. با این حال این کار بسیار سخت بود، و نیاز به یک قالب از پیش ساخته شده دارد، یک فرایند تزریق بخار شیمیایی 1000 درجه ای و تقریبا 3 ساعت حرارت دادن و سرد کردن.
حالا، آزمایشگاه دانشگاه Tour همراه با دو آزمایشگاه دیگر از دانشگاه های Rice و Tianjin، به یک روش دیگر برای ساخت این مواد دست یافته است: پرینت سه بعدی. با استفاده از نیکل و شکر پودر شده، محققان یک روش پرینت سه بعدی لیزر محور را برای تولید قالب های کوچک کف گرافین پیدا کردند. با استفاده از این روش نیازی به قالب نیست، و این فرایند می تواند در دمای اتاق پیاده شود.
Junwei Sha، یکی از نویسندگان اول این مقاله و دانشجوی سابق در آزمایشگاه Tour و کسی که در حال حاضر دوره ی فوق دکتری خود را در Tianjin سپری می کند، گفت: این روش ساده و موثر نیازی به قالب های سرد و پروسه ی CVD حرارت بالا نیازی ندارد. ما همچنین باید بتوانیم از این فرایند برای تولید انواع خاص کف گرافین مانند گرافین تقویت شده ی پرینت شده و همچنین کف گرافین تحت نیتروژن و سولفور، با تغییر پودرهای پیش ماده، استفاده کنیم.
این محققان از یک لیزر CO2 موجود، برای ذوب شکر استفاده کردند، در حالیکه نیکل به مانند یک کاتالیست عمل می کند، و با سرد شدن مخلوط گرافین را تشکیل می دهد. آنها یک تحقیق جامع برای تعیین مقدار بهینه ی زمان و توان لیزر برای حداکثر کردن تولید گرافین، انجام دادند. نتیجه ی این تحقیق یک گرافین سبک کم چگال، با حفره های بزرگ که 99 درصد حجم را تشکیل می دهند، است.
Yilun Li، یکی از نویسندگان اول این مقاله و دانشجوی فارغ التحصیل Rice، گفت: کف های گرافینی سه بعدی که توسط روش ما ساخته شدند، مناسب کاربردهایی که به نمونه سازی اولیه ی سریع و تولید مواد کربنی سه بعدی، ذخیره ی انرژی، جذب صدا و رطوبت نیاز دارند، هستند.
نویسندگان این تحقیق عبارتند از:
Junwei Sha, Yilun Li, Rodrigo Villegas Salvatierra, Tuo Wang, Pei Dong, Yongsung Ji, Seoung-Ki Lee, Chenhao Zhang, Jibo Zhang, Robert H. Smith, Pulickel M. Ajayan, Jun Lou, Naiqin Zhao, and James M. Tour