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
یک چیز که پرینت سه بعدی به طور ویژه خوب انجام می دهد ساخت چیزهای کوچک است. من فقط در مورد پرینترهای با رزولوشن بالا که قادر به پرینت در ابعاد نانو هستند صحبت نمی کنم، اگرچه این نوع پرینترها کارهای خارق العاده ای انجام می دهند. من همچنین به توانایی این تکنولوژی در کاهش اجزاء مجزای یک قطعه ی پیچیده اشاره دارم. با استفاده از این تکنولوژی می تواند قطعات بسیار پیچیده را به صورت یک قطعه ساخت.
آنتن ها می توانند به صورت چشمگیری از چیزی که دیده می شوند بزرگتر باشند، برای مثال، قطعات باریک فلز که از کاپوت های ماشین بیرون می آیند. آنتن های با کاربرد سنگین و پر اهمیت، مانند آنهایی که در هواپیماها و فضاپیماها، ارتباطات ماهواره ای، و اهداف نظامی استفاده می شوند، به دلیل تعداد قطعات RF پیچیده که برای تامین منبع تغذیه ی آنها مورد نیاز هستند، می توانند نسبتا بزرگ و سنگین باشند. بردار تک پالس جهت دار 4*4 باند Ka، یک بردار آنتن مسیریابی جهت دار با پهنای باند بالا که برای هواپیماها استفاده می شود، یک قطعه ی پیچیده است که از 100 قسمت تشکیل شده است. یا می توان گفت تشکیل می شد- با طراحی مجدد و پرینت سه بعدی آن، تولید کننده ی آنتن به نام Optisys قادر بود که آن را به یک قطعه ی واحد کاهش دهد که در یک کف دست جا می شود.
Clinton Cathey، مدیر اجرایی شرکت Optisys، می گوید: شرکت های در حوزه ی تجاری و نظامی تحت فشار هستند تا زمان ساخت پروژه ها و تجهیزات مورد نظرشان را کاهش دهند و آنتن هایی با اندازه های کوچک تر و سبک تر بسازند. با ترکیب شبیه سازی طراحی RF، مهندسی مکانیکی، و بهینه سازی سیستم متمرکز بر AM، ما آنتن های پرینت شده ی فلزی در ابعاد بسیار کوچکتر، سبک تر، زمان ساخت سریعتر، تعداد قطعات کمتر و ارزانتر، با عملکر RF بهتر یا مشابه نسبت به سیستم های تولید شده با روش های رایج، تولید می کنیم. در حال حاضر ما سازه هایی می سازیم که قبلا قابل به ساخت آنها نبودیم.
بردار آنتن باید به طور کامل طراحی مجدد می شد و به یک قطعه ی واحد تبدیل می شد. زمانی که کار طراحی مجدد تکمیل شد، شرکت Optisys آن را با استفاده از یک پرینتر سه بعدی Concept Laser پرینت کرد.
Cathey می گوید: این پرینتر که بر پایه ی ذوب پودر است، برای این کاربرد فوق العاده است زیرا رزولوشن بسیار بالایی برای آنتن هایی که در محدوده ی یک تا یکصد گیگاهرتز RF کار می کنند (محدوده ای که بیشتر کاربران در آن کار می کنند) را نتیجه می دهد.
کاهش تعداد و اندازه ی قطعات تنها مزیتی نبود که شرکت Optisys به دلیل آن اقدام به پرینت این آنتن کرد. روش های رایج تولید آنتن ها از قبیل Monopulse Array می توانند به صورت میانگین هشت ماه وقت صرف کنند تا طراحی و توسعه داده شوند، به علاوه سه تا 6 ماه بیشتر برای زمان ساخت. با استفاده از پرینت سه بعدی، شرکت Optisys قادر بود تا این زمان را به دو ماه کاهش دهد. به علاوه، هزینه های تولید 20 تا 25 درصد کاهش داده شدند و هزینه های غیرتکرار شونده به میزان 75 درصد کاهش داده شدند. وزن محصول تا 95 درصد کاهش پیدا کرد.
Robert Smith, M.E، مدیر اجرایی Optisys، می گوید: پیشنهاد منحصربه فرد ما این است که هرچیزی را به صورت مجدد از دید تکنولوژی additive manufacturing طراحی مجدد کنیم. ما عملکرد سیستم کلی را مورد توجه قرار می دهیم، خیلی از قطعات را با هم ترکیب می کنیم و به یک قطعه ی واحد تبدیل می کنیم، و زمان طراحی و ساخت آن را به چهد هفته کاهش می دهیم. نتیجه به طور چشمگیری اندازه و قیمت را کاهش می دهد.
علاوه بر چیزی که پروژه ی آزمایشی ما نشان داد، پرینت سه بعدی مزیت های دیگری را نیز عرضه می کند. وقتی که قطعات مختلف آنتن را به یک قطعه ی واحد ادغام می کنیم، ما تلفات توان کلی قطعات را کاهش می دهیم. و به دلیل اینکه آنتن های ما بسیار کوچکتر هستند، علیرغم ناهموار بودن سطح ساختمان AM، تلفات توان به مقدار بسیار زیادی کاهش پیدا می کند، و در مورد عملکرد RF نسبت به روش های سنتی بهتر و یا مشابه است.
اگرچه شرکت Optisys به وسیله ی پرینتر Concept Laser خود، قادر به پرینت با فلزات مختلف هستند، آنها تمایل دارند که از آلومینیوم، به دلیل رسانایی و استحکام سطح آن هنگامی که در معرض لرزه و تنش قرار می گیرد، برای آنتن استفاده کنند. آن همچنین سبک است و در برابر زنگ خوردگی مقاوم است.
Smith می گوید: فلز پرینت شده در واقع همان ویژگی هایی را، برای عملکرد RF، دارد که یک قطعه ی واحد یا مواد یکسان دارد. از نظر ساختار و سازه این محصولات در محیط های بسیار لرزان آزمایش شده اند و ویژگی های آنها مانند فلزات چکش خورده بوده است. این محصولات دارای پایداری بیشتری در قرار گرفتن در دماهای مختلف، نسبت به قطعات RF پلاستیکی هستند.
براساس گفته ی Smith، additive manufacturing مزایای بسیار زیادی در استفاده های بلند مدت دارد- اضافه کردن ویژگی های جدید به طراحی سه بعدی موجود ساده تر است، همچنین مونتاژ کردن قطعات آماده نیز راخت تر انجام می شود. البته در صورتی که چیزی را به صورت یک قطعه ی واحد پرینت کنید نیازی به موناژ کردن نخواهد داشت. نگهداری کمتری نیاز خواهد داشت زیرا از قطعات کمتری تشکیل شده است.
تیم شرکت Optisys تجربه ای بالغ بر 60 سال در ارتباطات ماهواره ای، طراحی RF، ارتباطات مسیر دید مستقیم و طراحی مکانیکی، دارد. براساس گفته ی Cathey، این تیم سال ها برای توسعه ی پکیج تکنولوژی بهبود سیستم آنتن زمان صرف کرده است. همه ی طرح ها از طریق شبیه سازی اعتبارسنجی می شوند و با فرکانس های هوافضا مورد آزمایش قرار می گیرند. شرکت Optisys چندین مجوز ثبت اختراع دارد و در حال تلاش برای گسترش دارایی ها و سهام خود است؛ آنها در حال حاضر در حال مذاکره با چندین شرکت هوافضای برتر و موسسه های دانشگاهی هستند.