وضعیت ورود
درحال حاضر شما وارد سایت نشده اید.
آمار بازدیدکنندگان
  • کاربران حاضر: 1
  • بازدید امروز: 2,134
  • بازدید ماه: 90,716
  • بازدید سال: 927,986
  • کل بازدیدکنند‌گان: 207,107
قیمت روز

اصطکاک

قابلیت ترمیم مفاصل مصنوعی انسان توسط مواد قندی!

new-polymer-detection

یک نمایش گرافیکی از پوشش سطح اصلاح‌کننده و تصاویر میکروسکوپ که یک منطقه اصلاح شده را به رنگ سبز نشان می‌دهد.

بر اساس تحقیقات جدید، یک پوشش پلیمری حاوی مواد قندی می‌تواند روزی به ترمیم ایمپلنت‌های مفصل مصنوعی، مانند تعویض‌های مفصل ران، زمانی که در اثر سایش و پارگی آسیب می‌بینند، کمک کند.

یک تیم بین‌المللی از شیمی‌دانان و مهندسان، شامل دانشگاه‌های Durham و York، انگلستان و دانشگاه Tsinghua، چین، این تکنیک را برای به راحتی تعمیر کردن سطوح با اصطکاک کم ایجاد کرده‌اند.

این تیم با الهام گرفتن از این روش که غضروف برای روان کردن مفاصل در انسان کار می‌کند، دریافتند که حلقه های مواد قندی می توانند به چسبیدن پلیمر به سطوح و ترمیم آسیب کمک کنند.

در حالی که یافته‌های آن‌ها در مجله Chem انتشار یافت، می‌گویند کشف‌شان در نهایت می تواند در ایمپلنت‌های پزشکی برای افزایش طول عمر مفاصل مصنوعی استفاده شود.

آن‌ها امیدوارند که این پوشش سرانجام نیز بتواند برای کاهش اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک در سیستم‌های مکانیکی استفاده شود در حالی که آن‌ها را کارآمدتر می‌کند.

در حالی که غضروف می‌تواند توسط بدن انسان در صورت آسیب‌دیدگی ترمیم شود، سطوح مصنوعی معمولاً به این راحتی ترمیم نمی‌شوند.

تیم تحقیقاتی دریافتند که اگر پوشش پلیمری که آن‌ها ایجاد کرده‌اند از سطحی در حین استفاده زدوده شود از این رو یک حلقه مواد قندی در ساختارش به آن اجازه می‌دهد تا به راحتی دوباره بچسبد.

پوشش ایجاد شده توسط این تیم تحقیقاتی نتیجتاً روشی که غضروف برای روان کردن مفاصل انسان کار می‌کند را تقلید می‌نماید.

غضروف از آب برای ایجاد سطحی نرم استفاده می‌کند که سایش و پارگی را به حداقل می‌رساند. به همین ترتیب، پوشش‌های جدید لایه‌ای از آب را به سطح جذب می‌کنند در حالی که آن را لغزنده و محافظ سطوح می‌سازد هنگامی که آن‌ها کوبیده با مالیده می‌شوند.

دکتر Paul McGonigal، نویسنده ارشد، دانشیار دپارتمان شیمی در دانشگاهDurham ، بریتانیا، می‌گوید: “پوشش حاوی مواد قندی ما یک روش جذاب جدید مربوط به رفع آسیب به سطوح با اصطکاک کم به ما می دهد. مفاصل ران و زانو در بدن ما به لطف غضروف‌هایی که مرتباً ترمیم و جای‌‌‌گزین می‌شوند، چندین دهه ساییدگی و پارگی را تحمل می‌کنند. ما موادی ساخته‌ایم که به روشی مشابه عمل می‌کنند، اما با مفاصل مصنوعی سازگار هستند.”

“اجزای پوشش‌های ما زیست‌سازگار هستند، که آن‌ها را برای استفاده در پزشکی چشم‌انداز هیجان‌انگیزی می‌کند.”

“ما همچنین می‌توانیم توسعه طیف وسیعی از این مواد را تصور کنیم که در محیط‌های بسیار متفاوت کار می‌کنند. اجتناب و ترمیم آسیب‌های ناشی از اصطکاک به همان اندازه مهم است تا اطمینان حاصل شود که خودروها و سایر ماشین‌آلات برای مدت طولانی دوام می‌آورند.”

پوشش پلیمری دارای دو بخش عمده است. اولاً، دارای یک زنجیره مولکولی طولانی با بارهای مثبت و منفی برای نگه داشتن یک لایه آب – با استفاده از اثری مشابه الکتریسیته ساکن. در مرحله دوم، یک حلقه مواد قندی به یک انتهای زنجیره متصل می‌شود. این حلقه با اتصال به مولکول‌های خاصی به نام آدامانتان، خود را به یک سطح متصل می‌کند.

با عمل‌آوری فلز تیتانیوم با این ساختارهای آدامانتان، محققان نشان دادند که پوشش پلیمری به سطح جذب می‌شود. پیوندهای ضعیف و غیر دائمی که تشکیل می شوند، کلید فرآیند اصلاح هستند.

دکتر Yulong Sun، محقق آزمایشگاه دکتر McGonigal در دانشگاه Durham، یکی از نویسندگان این مقاله، زمانی را صرف بررسی سطوح کم اصطکاک با دانشجوی پژوهشی دکتری  Yixin Wang و پروفسور Hongyu Zhang در گروه مهندسی مکانیک دانشگاه Tsinghua کرد.

دکتر Sun گفت: «مکانیسم‌های اصلاح، کلیدی برای ساخت موادی هستند که برای مدت طولانی دوام می‌آورند.

“مواد کم اصطکاک طبیعت زمانی که آسیب می‌بینند؛ بازسازی می‌شوند، اما تاکنون مکانیسم‌های اصلاح خوبی برای سیستم‌های مصنوعی نداشته‌ایم. برای مقابله با این چالش، به شیمی‌دانان و مهندسان نیاز داریم تا برای طراحی فناوری پوشش پیشرفته همکاری کنند.”

محققان افزودند که در حال حاضر این نوع اصلاح به پوشش پلیمری بیش‌تری نیاز دارد تا در آب اطراف یک سطح حل شود، اما آن‌ها بر این باورند که زمان زیادی طول نخواهد کشید این پوشش‌ها بهبود یابند تا از نیاز به وجود این مواد اضافی که وجود دارند جلوگیری کند.

دکتر Alyssa-Jennifer Avestro، همکار نویسنده پژوهش، محقق Dorothy Hodgkin در دانشگاه York، گفت: “این پویا در عین حال شیمی انتخابی است، که به نظر می‌رسد می‌تواند راهی مؤثر برای خنثی کردن اثرات منفی سایش مکانیکی روی مفاصل و سطوح دیگر باشد.”

“اگر لایه پوشش محافظ ما فرسوده شود، به لطف شناسایی مولکولی هدفمند، بدون نیاز به مداخله ما دوباره بازسازی می‌شود.”

 

لینک خبر:

https://phys.org/news/2021-11-sugar-artificial-human-joints.html

Supramolecular repair of hydration lubrication surfaces

 

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com

 

کامپوزیت‌های پلی‌آمید تقویت شده با الیاف شیشه

امروزه، کامپوزیت­ های پلیمری تقویت شده با الیاف محبوبیت زیادی کسب کرده ­اند و به شکل روزافزون در صنایع مختلفی مانند مواد تحمل ­کننده­ بار، غلتک ­ها، چرخ ­دنده ­ها، حلقه­ های پیستون، آب ­بندهای مکانیکی، کلاچ و… از آن­ ها استفاده می‌شود. در این کاربردها از خواص خودروان‌کاری کامپوزیت­ ها در جهت حذف نیاز به استفاده از روان­ کننده ­ها بهره برده می‌شود. در دهه­ گذشته، محققان زیادی در راستای درک بهتر خواص فیزیکی و تریبولوژیکی (خواص مربوط به اصطکاک، سایش، و روان‌کاری) کامپوزیت­ های پلیمری تقویت­ شده با انواع مختلف مواد لیفی تلاش­ بسیاری انجام داده ­اند.

در سال­ های اخیر، کامپوزیت ­های تقویت شده با الیاف موضوع مورد توجه صنایع مختلفی از جمله هوافضا و صنعت خودروسازی بوده است. این کامپوزیت ­های پلیمری به طور کلی در مقایسه با فلزات/آلیاژهایی از قبیل استیل و آلومینیوم، دارای سطوح بالایی از سفتی، نسبت استحکام به وزن بالا، مدول بالا، مقاومت سایشی بی­نظیر و مقاومت به خوردگی و سایش چشمگیری هستند. پارامترهای مختلفی از جمله میزان تقویت­ کننده، شکل، اندازه، و جهت ­گیری تقویت­ کننده، نوع تقویت ­کننده و ماتریس پلیمری، روش ­های فرآیند و … می­ توانند بر خواص کامپوزیت ­های پلیمری تأثیر بگذارند.

در همین راستا نتایج پژوهش گروهی از محققین نشان داد که خواص مکانیکی کامپوزیت‌های نایلون به طور چشم‌گیری توسط درصد وزنی الیاف شیشه تحت تأثیر قرار می‌گیرند. نتایج آزمون استحکام نشان داد که نایلون حاوی ۲۰% وزنی الیاف شیشه بالاترین کششی بهبودیافته را دارند. نتایج آزمون ضربه حاکی از این است که نمونه حاوی ۱۵% وزنی الیاف شیشه دارای بالاترین میزان استحکام ضربه یا چقرمگی می‌باشد.

نمودار مربوط به آزمون کشش، استحکام کششی نهایی یا استحکام کششی کامپوزیت نایلون با ترکیب‌درصدهای مختلفی از الیاف شیشه را نشان می ­دهد. استحکام کششی خاصیت شدتی کامپوزیت است و نشان ­دهنده­ حداکثر تنشی است که کامپوزیت در حال کشش با نرخ ۳ میلی ­متر بر دقیقه تا قبل از پارگی تحمل می­ کند. نتیجه­ به دست آمده نشان می ­دهد که استحکام کششی نایلون خالص ۳۷/۳ مگاپاسکال است و این نقطه تنشی است که باریک شدگی (necking) قبل از شکست آغاز شد. برای ۹۵% پلی­آمید و ۵% الیاف شیشه، استحکام کششی ۴۴/۲ مگاپاسکال است که ۱۸/۵% بالاتر از میزان آن برای نایلون خالص است. برای کامپوزیت نایلون حاوی ۱۰% الیاف شیشه، استحکام کششی مقدار بالای ۵۳/۶% را نشان می ­دهد. در مقادیر بالاتر الیاف شیشه تا ۱۵%، کامپوزیت استحکام کششی بالاتری (۵۷/۸%) را نشان می­ دهد. در نهایت کامپوزیت حاوی ۸۰% پلی­ آمید ۶ و ۲۰% الیاف شیشه افزایش چشم ­گیری را در استحکام کششی تا ۷۹/۵ مگاپاسکال نشان می ­دهد که حدود ۱۱۳% بیشتر از نایلون خالص است. با افزایش میزان الیاف شیشه، پیوند بین سطحی خوب بین لیف و نایلون منجر به ایجاد استحکام بالاتر می ­شود.

نمودار مربوط به انرژی ضربه، استحکام ضربه­ کامپوزیت ­های نایلون با ترکیب درصدهای مختلف الیاف شیشه را نشان می ­دهد. انرژی ضربه معیاری از کار انجام شده یا انرژی جذب شده به وسیله­ کامپوزیت نایلون قبل از شکست است. در حین آزمون ضربه، زمانی که چکش به نمونه­ کامپوزیتی ضربه می­ زند، نمونه تا نقطه تسلیم انرژی را جذب می­ کند، سپس تغییر فرم پلاستیک به وسیله­ جذب انرژی در نمونه آغاز می­ شود و در ناحیه­ پلاستیک سخت­ شدگی با کار (work hardening) رخ می­ دهد و پس از آن کامپوزیت قادر به جذب مقدار بیش‌تری انرژی نخواهد بود، و نهایتاً شکست رخ خواهد داد. استحکام ضربه یک معیار نسبی از چقرمگی ضربه ­ای کامپوزیت ­های نایلون با ترکیب درصدهای مختلف الیاف شیشه است. بر اساس مشاهدات، کامپوزیت نایلون حاوی %۵ الیاف شیشه می ­تواند قبل از رخ‌داد شکست ۴/۵ ژول انرژی جذب کند. این عدد در مورد ۱۰% الیاف شیشه به ۵/۴ ژول می ­رسد که ۲۰% بیش تر از استحکام کامپوزیت حاوی ۵% الیاف شیشه است. اگر میزان الیاف شیشه به ۱۵% افزایش یابد، کامپوزیت استحکام ضربه­ ۶/۴ ژول را نشان می­ دهد که ۴۲% بیش تر از مقدار آن برای کامپوزیت حاوی ۵% الیاف شیشه است. در نهایت، نتایج نشان می ­دهد که زمانی که میزان الیاف شیشه به ۲۰% افزایش می ­یابد، استحکام ضربه­ کامپوزیت به ۴/۷ ژول کاهش می ­یابد که حدود ۲۷% کمتر از کامپوزیت حاوی ۱۵% الیاف شیشه است. بدیهی است که با افزودن میزان زیاد الیاف شیشه (۲۰%) انرژی ضربه به طور چشم­ گیری کاهش می­ یابد. این امر حاکی از آن است که در اثر افزایش مقادیر بالای الیاف شیشه، مانند ۲۰% الیاف، استحکام ضربه­ کامپوزیت کاهش می­ یابد، به این معنی که رفتار کامپوزیت از چقرمه به شکننده تغییر کرده و چقرمگی ضربه­ آن کاهش می یابد.

در نهایت انتخاب و بهینه سازی ویژگی‌ها فرصت کنترل پارامترهایی مانند استحکام، چگالی، خصوصیات الکتریکی و هزینه را فراهم می‌سازد. از میان اشکال احتمالی ذرات تقویت کننده، الیاف به خاطر نسبت منظر بالایشان و ماهیت ناهمسان‌شان مورد توجه قرار گرفته اند. در مورد نقش نسبی اجزا در کامپوزیت سه اصل مشاهده می‌شود:

  • از مقاومت و سختی بالایی برخوردارند و می بایست ماتریس تنش را از یک لیف به لیف دیگر منتقل کند. این مواردی از کامپوزیت‌های با کارایی بالاست که در آن تقویت کننده با استحکام بالا در کسر حجمی بالا استفاده می‌شود. همچنین جهت‌گیری و میزان پراکندگی آن‌ها برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب باید سنجیده شود.
  • در برخی موارد دیگر ماتریس از نظر فیزیکی، شیمیایی و خواص فرآیندی دارای مشخصات ذاتی مطلوب است و افزودن الیاف برای مقاومت در برابر کشش، خزش یا مقاومت در برابر پارگی در نظر گرفته شده است. معمولاً به صورت پیوسته یا ناپیوسته به کار می‌روند.
  • در حالت سوم ماتریس یک ماده با عمل‌کرد بالا است، اضافه کردن الیاف با هدف حفظ عمل‌کرد و اصلاح نقص‌های ماتریس و مقرون به صرفه بودن است.

q

w

 

 

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com