فرش‌های پلیمری

فرش‌های پلیمری؛ گروه جدیدی از نانو مواد در سیستم‌های نانوالکترومکانیکی و میکروالکترومکانیکی

برخلاف بیشتر غشاهای زیستی، نانو غشاهای پلیمری، باریک و بسیار پایدار هستند و فشار قابل توجهی را تحمل می‌کنند. این امر یکی از نیازهای ضروری فرآیندهای جداسازی مانند خالص سازی آب و نمک گیری از آن است. نانوغشاهای پلیمری علاوه بر پایداری مکانیکی، منعطف بوده و قابلیت عامل دار شدن با گروه های شیمیایی را دارند. به همین علت در ساخت محرک‌ها، میکروسنسورها و مواد جدید در جراحی، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

تکنیک‌های توسعه یافته برای ساخت نانو غشاهای بدون نقص و با قدرت مکانیکی خوب عبارتند از: تجمع لایه به لایه (LbL) در پلی الکترولیت‌های چند لایه‌ای، ایجاد اتصالات عرضی لانگمیر-بلاجت (Langmuir–Blodgett)، و تجمع خودبخودی تک لایه‌ها (SAM). از دستاوردهای اخیر برای آماده سازی نانوغشاهای پایدار مکانیکی، ایجاد اتصال عرضی با دانسیته بالا در محلول پیش ساز است. به علت حساسیت زیاد نانو غشاهای فوق شبکه‌ای به آرایش یافتگی زیاد و محدوده حرکتی، برای سنسورهای فشاری، گرمایی، لامسه ای و صوتی نسل بعد مورد توجه قرار می‌گیرند.

با این وجود، اتصالات عرضی با دانسیته بالا، برهمکنش بین زنجیرهای پلیمری و محیط را کاهش می‌دهد و در نتیجه به حساسیت و انعطاف پذیری فیلم‌ها آسیب می‌رساند که از معایب ساخت نانوغشاها بر مبنای پلیمرهای زیست واکنشی و شیمیایی است. به این دلیل، لیف‌های پلیمری نرم و تحریک پذیر، برای ساخت لایه‌های سازگار به عنوان محرک‌ها و سنسورها انتخاب شدند. این لیف‌ها بسیار سریع تر واکنش می‌دهند و حساسیت بالاتری در مقابل محرک‌های بیرونی دارند.

محققان در آلمان اولین لیف پلیمری پیوند زده به تک لایه‌های دارای اتصالات عرضی (نانو ورق ها) را تولید کردند که پایداری مکانیکی و بی نقصی ساختاری خوبی دارد. به علت مشابهت ریخت شناسی، آنها این ساختار را به عنوان فرش پلیمری منسوب می‌کنند.

گروه گولزائس از دانشگاه بایفلد و جردن از دانشگاه صنعتی درسدن، همراه با یک تیم تحقیقاتی از گروه شیمی ماکرومولکول دانشگاه صنعتی مونیخ، کار این پروژه را انجام و برای اولین بار آماده سازی فرش‌های پلیمری محافظت شده ساده را نشان دادند. در این کار لیف‌ها به طور مستقیم به نانو ورق‌های شبکه‌ای پیوند زده شد.

این تیم در گزارشی نوشت : ” فرش‌های پلیمری، خواص جالب توجه و بی نظیری دارند، از جمله : ضخامت کم، پایداری مکانیکی و شیمیایی و استحکام خوب، انعطاف پذیری و حساسیت شیمیایی بالا.” بعلاوه، ریخت شناسی فرش‌های پلیمری نشان می‌دهد که این مواد از طریق خم شدن و یا تغییرات خواص فیزیکی خود (مانند خواص بصری و خیس کنندگی) سریعاً و به طور بازگشت پذیری در برابر حلال‌ها و pH واکنش نشان می‌دهند. تغییر در شکل کلی لایه، ممکن است در توسعه سیستم‌های نانومیکرومکانیکی مانند محرک‌ها و سنسورها به کار برده شود.

این تیم، برای ساخت فرش‌های پلیمری، نانو ورقی با ضخامت یک نانومتر را به وسیله پرتوی الکترونی آماده کرد (که اتصال عرضی در یک دی–فنیل SAM را القا می‌کند). بعد از جداسازی تک لایه‌های شبکه شده از زیرلایه و قرار دادن آن روی یک نگهدارنده سیلیکون جامد، نانو ورق مذکور به عنوان یک قالب دو بعدی برای رشد لیف پلیمری مورد استفاده قرار گرفت. این رشد به وسیله پلیمریزاسیون شروع از سطح انجام شد و فرش‌های پلیمری را تشکیل داد.

ترتیب آماده سازی فرش های پلیمری: تهیه SAM شبکه شده با استفاده از پرتوزایی الکترون(a) حل کردن زیرلایه طلا به منظور جداسازی لایه شبکه شده(b) قرار گیری نانو ورق بر روی زیر آیند نازک سیلیکونی پوشش داده شده با اکسید سیلیکون یا سیلیکون نیترید(c) تولید فرش های پلیمری از فرآیند SIPGP مونومر وینیلی(d) مرحله نهایی تهیه فرش های پلیمری ساده از طریق حل کردن لایه های زیرین(e).

بنابراین یک فرش پلیمری مانند یک فرش واقعی، شامل لیف نرم و انعطاف پذیر است که با پیوند اشتراکی (کووالانسی) به یک قاب دو بعدی نازک و صلب متصل شده است.

تهیه فرش‌های پلیمری شامل دو مرحله ساده ایجاد اتصالات عرضی با القای الکترون از SAM و به دنبال آن پلیمریزاسیون با شروع از سطح و پیوند زنی با استفاده از نور است. این سادگی اجازه عامل‌دارکردن شیمیایی گوناگون بین لایه‌ها را می‌دهد.

گولزائوس و جردن می‌گویند که ضخامت فرش پلیمری نیز همانند خواص مکانیکی آن می‌تواند به راحتی و به دقت به وسیله تغییر زمان پلیمریزاسیون تنظیم شود.

در حالیکه تمرکز این کار بر روی سنتز و توصیف خصوصیات فرش پلیمری ماکروسکوپی و همگن بوده است، این دستیابی دو مرحله ای می‌تواند در ساخت فرش‌های پلیمری مخلوط و شیب دار در ابعاد میکرومتری و نانومتری نیز مورد استفاده قرار گیرد. این موضوع در آینده تنوع و وسعت این دسته جدید از مواد را گسترش خواهد داد.

محققان یافته هایشان را در شماره اخیر مجله Small (فرش‌های پلیمری) چاپ کرده‌اند.