دانشمندان با الهام از مکانیسم‌های ترمیم در طبیعت، موفق به طراحی و ساخت نوع جدیدی از پلیمر شده‌اند که می‌تواند محافظتی نوآورانه و کارآمد در برابر خطرات ناشی از زباله‌های فضایی برای فضاپیماها و ماهواره‌ها فراهم کند. این ماده هوشمند، با قابلیت خودترمیمی منحصر به فرد خود، می‌تواند آسیب‌های ناشی از برخورد ذرات پرسرعت فضایی را به حداقل رسانده و طول عمر تجهیزات فضایی را به طور چشمگیری افزایش دهد.
معضل زباله‌های فضایی که با سرعت‌های سرسام‌آور تا حدود 8 کیلومتر بر ثانیه در مدارهای زمین به گردش در می‌آیند، به یک چالش جدی برای صنعت فضایی تبدیل شده است. تنها در بازه زمانی 2019 تا 2023، ماهواره‌های استارلینک متعلق به اسپیس‌ایکس بیش از 50 هزار مانور اجتنابی را در مدار پایین زمین (LEO) به منظور جلوگیری از برخورد با این اجسام سرگردان انجام داده‌اند. با افزایش حجم زباله‌های فضایی و دشوارتر شدن مانورهای اجتنابی، تلاش برای یافتن راهکارهای جایگزین و مقاوم‌سازی تجهیزات فضایی در برابر این تهدیدات، اهمیت فزاینده‌ای یافته است.
در همین راستا، گروهی از محققان علم مواد در دانشگاه تگزاس A&M، پلیمری با خاصیت خودترمیمی بی‌نظیر ابداع کرده‌اند. این ماده که “پلیمر دیلز-آلدر” (DAP) نام گرفته است، به گونه‌ای طراحی شده که در هنگام برخورد با زباله‌های فضایی، به طور موقت تغییر شکل داده و اجازه عبور جسم را می‌دهد، بدون آنکه آسیب ساختاری جدی به آن وارد شود.
راز این ماده منحصر به فرد در شبکه‌های پیوند کووالانسی دینامیکی آن نهفته است که قادر به شکستن و تشکیل مجدد هستند. دانشمندان تاکید می‌کنند که در حالی که نمونه‌های دیگری از شبکه‌های دیلز-آلدر در تحقیقات قبلی گزارش شده‌اند، پلیمر DAP جدید از نظر شیمی خاص، ساختار توپولوژیکی و کیفیت خودترمیمی، ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد. ساختار DAP از زنجیره‌های پلیمری بلندی تشکیل شده که حاوی پیوندهای دوگانه کربن هستند. این پیوندها در اثر حرارت و نیروی زیاد شکسته می‌شوند، اما پس از رفع فشار و کاهش دما، به سرعت دوباره پیوند برقرار کرده و ساختار اولیه ماده بازسازی می‌شود.
این تیم تحقیقاتی بر این باور است که پلیمر ابداعی آن‌ها پتانسیل بالایی برای کاربردهای فضایی دارد. لازم به ذکر است که آزمایش‌های اولیه بر روی این ماده در مقیاس نانو و در محیط آزمایشگاهی انجام شده است و بررسی رفتار آن در مقیاس‌های بزرگتر نیازمند تحقیقات بیشتری است.
دکتر سوتلانا سوخیشویلی، استاد گروه علوم و مهندسی مواد دانشگاه تگزاس A&M، این دستاورد را یک پیشرفت قابل توجه توصیف کرده و می‌گوید: “این نخستین بار است که یک ماده در هر مقیاسی چنین رفتاری از خود نشان می‌دهد.” دکتر ادوین توماس، دیگر استاد این گروه، نیز با اشاره به اهمیت این ابداع می‌افزاید: “علاوه بر جذابیت علمی این پلیمر جدید، احتمالاً کاربردهای عملی فراوانی خواهد داشت، از جمله ساخت پنجره‌های مقاوم‌تر برای وسایل نقلیه فضایی در برابر برخورد ریزشهاب‌ها.”
در واقع، هدف اصلی این تیم تحقیقاتی، توسعه ماده‌ای بوده است که بتواند از سازه‌های فضایی نظیر ماهواره‌ها و فضاپیماها در برابر تهدیدات ناشی از ریزشهاب‌ها و زباله‌های فضایی محافظت کند. با این حال، پس از انجام آزمایش‌های متعدد، آن‌ها دریافتند که این ماده می‌تواند در ساخت زره و سایر کاربردهای نظامی بر روی زمین نیز مورد استفاده قرار گیرد.
دکتر توماس در توضیح ویژگی‌های منحصربه‌فرد این پلیمر می‌گوید: “پلیمرها، به ویژه مواد DAP، مواد شگفت‌انگیزی هستند زیرا در دماهای پایین، سخت و مقاوم بوده و با افزایش دما خاصیت کشسانی پیدا می‌کنند. در دماهای بسیار بالاتر نیز به حالت مایع روان در می‌آیند. این طیف وسیع از تغییرات رفتاری، امکان کاربردهای متنوعی را فراهم می‌سازد.”
برای بررسی عملکرد این پلیمر در برابر ضربات پرسرعت، محققان آن را در معرض نوع جدید و پیشرفته‌ای از آزمایش بالستیک به نام “LIPIT” قرار دادند. در این آزمایش، ذرات بسیار ریز سیلیکا با قطر 3.7 میکرومتر با استفاده از لیزر به سمت نمونه پلیمری پرتاب شدند و این فرآیند توسط یک دوربین فوق‌سریع به ثبت رسید.
نکته شگفت‌انگیز در این آزمایش، مشاهده خاصیت خودترمیمی پلیمر بود. در ابتدا، دانشمندان تصور کردند که ذرات پرتاب‌شده به هدف برخورد نکرده‌اند، زیرا هیچ حفره‌ای بر روی سطح پلیمر مشاهده نشد. اما در واقع، آن‌ها شاهد ذوب شدن موضعی پلیمر در اثر برخورد ذره پرسرعت و سپس بازگشت سریع آن به حالت اولیه پس از خنک شدن بودند.
بر اساس بیانیه این تیم تحقیقاتی، پلیمر DAP بخش قابل توجهی از انرژی جنبشی ناشی از برخورد ذره را جذب می‌کند و در نتیجه، به طور موقت کشیده شده و به حالت مایع تبدیل می‌شود. ذره پرتاب‌شده به مسیر خود ادامه داده و حفره‌ای میکروسکوپی در پلیمر ایجاد می‌کند. بلافاصله پس از عبور ذره، پلیمر به سرعت خنک شده و پیوندهای کووالانسی آن دوباره تشکیل می‌شوند، در نتیجه ساختار جامد اولیه بازمی‌گردد و تنها یک حفره بسیار کوچک بر روی سطح باقی می‌ماند.
محققان این یافته‌ها را یک کشف هیجان‌انگیز توصیف می‌کنند، اما بار دیگر تاکید می‌کنند که آزمایش‌ها تاکنون تنها در مقیاس نانو انجام شده است و رفتار این ماده در مقیاس‌های بزرگتر ممکن است متفاوت باشد. بنابراین، تحقیقات بیشتری برای درک کامل پتانسیل این پلیمر خودترمیم در کاربردهای واقعی فضایی و زمینی مورد نیاز است. نتایج این پژوهش در مجله معتبر “Materials Today” منتشر شده است.
