ساخت قوی‌ترین الیاف در جهان

با مخلوط کردن یک پلیمر با صفحه‌های اکسید گرافن احیاء شده (RGOF) و نانولوله‌های کربنی (CNTs) در طول فرآیند الکتروریسندگی، مستحکم‌ترین نخ پلیمری تاکنون، توسط محققان کره جنوبی ساخته شده است.
یکی از معمول‌ترین روش‌ها برای مستحکم کردن الیاف پلیمری، مخلوط کردن آنها با افزودنی‌هایی مانند نانولوله‌های کربنی در طول ریسندگی مرطوب است. یک نوع الیاف ساخته شده با استفاده از پلی وینیل الکل (PVA) و نانولوله‌ها، استحکامی بیش از ۸۷۰ ژول بر گرم دارد که بیشتر از استحکام تار عنکبوت (۱۶۵ ژول بر گرم) است. در بیشتر مطالعه‌های اخیر ورقه‌های اکسید گرافن احیاء شده جایگزین نانولوله‌های کربنی شده‌اند. در این حالت، کامپوزیت‌های پلیمری منتج به اندازه کامپوزیت‌های حاوی نانولوله‌ها مستحکم نیستند، ولی ارزان‌تر از آنها هستند.

پیوندهای هیدروژنی بین اکسید گرافن احیاء شده و نانولوله‌های کربنی عامل‌دار شده، استحکام کامپوزیت را افزایش می‌دهند.

کنون سیون جیونگ کیم در دانشگاه هانیانگ و همکارانش، با تقلید از ساختار تار عنکبوت یک قدم به جلو برداشته و به این پلیمر ترکیبی از نانولوله‌های عامل‌دار شده (رشته‌ها) و اکسید گرافن احیاء شده (صفحه‌ها) افزودند. کیم می‌گوید: “در طبیعت، تار عنکبوت خیلی مستحکم و انعطاف‌پذیر است و از دو نوع پروتئین ساخته شده است: نوع صفحه‌ای (نانوبلورهای صفحه‌ای بتا، ساختار دو بعدی) و نوع رشته‌ای (رشته‌های بتا، ساختار یک بعدی). ترکیب‌شان برای تقویت استحکام تار عنکبوت بسیار مهم است.”

این محققان ابتدا محلولی از نانولوله‌های تک‌جداره و اکسید گرافن احیاء شده را در محلول مایعی از پلی وینیل الکل اضافه کردند و سپس از محلول منتج الیافی ریسیدند. این الیاف برای افزایش بلورینگی مواد و تولید الیاف مستحکم، با متانول اصلاح شدند. میکروسکوپ الکترونی پیمایشگر نشان داد که اکسید گرافن و نانولوله‌ها در طول ریسندگی تشکیل شبکه درهم تنیده‌ای می‌دهند که به طبیعت چروکیده‌ی صفحه‌های اکسید گرافن کمک می‌کند تا به خوبی در ماتریس پلیمری پراکنده شوند.

بهترین ترکیب نسبت یک به یک بود که منجر به درجه بالایی از همراستایی خود به خود نانولوله‌ها و اکسید گرافن در طول جهت الیاف می‌شد. دسته‌های نانولوله‌ها نیز به سمت گوشه‌ها و سطوح صفحه‌های اکسید گرافن متمایل شدند. این همراستایی منجر به درجه بالایی از استحکام تا بیش از ۹۷۰ ژول بر گرم شد که بالاترین مقداری است که تاکنون گزارش شده است.