8 دقیقه
مهندسان دانشگاه کرنل پارچهای توسعه دادهاند که تقریباً تمام نور تابشی را جذب میکند—تا حدود ۹۹.۸۷٪—و بدینترتیب یکی از تاریکترین پارچههای ثبتشده را تولید کردهاند. این کشف ترکیبی از بیومیمتیک (ایدهگیری از ساختارهای زیستی)، شیمی پلیمر و مهندسی سطح در مقیاس نانو است تا پشم مرینو فوقمشکیای حاصل شود که هم برای صنعت مد و هم برای کاربردهای عملکردی مناسب بهنظر میرسد.
چگونه پژوهشگران پشم را به مادهای فوقمشکی تبدیل کردند
پدید آوردن چیزی «فوقمشکی» صرفاً با افزایش غلظت رنگزا (دِیِ) میسر نمیشود. گروه کرنل بهجای متکی شدن بر یک رنگدهی قویتر، رفتار پارچه را در سطح نانوسکوپی نسبت به نور بازتعریف کردند. آنها با یک تکه بافت مرینو سفید شروع کردند و آن را در یک پلیمر ملانینمانند سنتتیک به نام «پلیدُپامین» (polydopamine) غوطهور کردند. این لایه نخستین، فیبرها را از لحاظ شیمیایی تیره کرد، اما گام کلیدی ساختاری بود: نمونهها وارد یک محفظه اچینگ پلاسما شدند و پژوهشگران با کنترل دقیق پارامترهای پلاسما، نانوفیبریلهایی — شیارهای میکروسکوپی شبیه مو — روی سطوح فیبرها حجاری کردند.
لباسی طراحیشده توسط زویی آلوارز که از زیباییِ سینهٔ مرغ ریفلبرد (riflebird) الهام گرفته و بخشی از آن با تاریکترین پارچهٔ ثبتشده ساخته شده است (حاشیهٔ فوقمشکی اطراف زمینهٔ آبی).
آن نانوفیبریلهای ریز پرتوهای نور ورودی را به دام میاندازند. همانطور که هنسادی جایاماهوا، دانشمند الیاف و طراح دخیل در پروژه توضیح میدهد، «نور اساساً بین این فیبریلها پشتسرهم بازتاب میشود و بهجای اینکه از سطح بازتاب بیرونی داشته باشد، درون ساختار محبوس میمانَد—این پدیده همان تأثیر فوقمشکی را ایجاد میکند.» پراکندگی داخلی تکرارشونده باعث حذف بخش عمدهٔ نور بازتابی میشود و ظاهری بسیار کمانعکاس (low-reflectance) و تیره تولید میکند.
تصاویری که ساختار میکروسکوپی پشم مرینو سفید بدون پردازش (e1) و پشم رنگشده و تحتپلاسما (e5-8) را نشان میدهند.
طبیعت بهعنوان الگو: مرغ عظیمالوقار (magnificent riflebird)
تیم تحقیقاتی از مرغ عظیمالوقار (Ptiloris magnificus) که در گینهٔ نو و شمال استرالیا زیست میکند الهام گرفت؛ پر این پرنده بهدلیل سینههای آبی-سبز درخشان که با پرهای تقریباً سیاه قاببندی شدهاند شناخته میشود. در این پرنده، میکروساختار پر نور پراکنده را سرکوب میکند و کنتراست بصری را تقویت مینماید. پارچهٔ کرنل آن ترفند میکروساختاری را تقلید میکند، با این تفاوت که عملکرد زاویهای آن بهبود یافته است: سیاهیِ پرِ ریفلبرد هنگام دید مستقیم بیشینه است و در زاویههای تند انعکاسپذیرتر میشود، در حالی که پارچهٔ مهندسیشده بازتاب پایین خود را تا حدود ۶۰ درجه در هر طرف حفظ میکند که برای مصارف پوشیدنی و طراحی تصویری مهم است.
.avif)
یک نمونهٔ نر از مرغ عظیمالوقار
جایگاه این فناوری در میان تکنولوژیهای فوقمشکی
پشم جدید قطعاً تاریکترین مادهٔ شناختهشده مطلق نیست—وانتابلک (Vantablack) شناختهشده است که حدود ۹۹.۹۶٪ نور ورودی را جذب میکند و یک آرایهٔ نانولولهٔ کربنی گزارششده از MIT هم به جذب ۹۹.۹۹۵٪ رسیده است. با این حال، مواد با عملکرد بسیار بالا غالباً هزینهبر، محدود به زیرلایههای سخت (rigid substrates) یا دشوار در تولید انبوه هستند. رویکرد کرنل از پشم مرینو ارزان و فرایندهای شیمیایی و پلاسما که قابلیت مقیاسپذیری دارند استفاده میکند؛ پژوهشگران میگویند این روش میتواند برای تولید منسوجات در سطح صنعتی سازگار شود.
آنها همچنین کاربردهای عملی را نشان دادند: دانشجوی طراحی مد زویی آلوارز یک پیراهن تدریجیتیره طراحی کرد که به یک حاشیهٔ فوقمشکی در اطراف مرکزِ آبی-سبز زنده ختم میشود و با پرِ ریفلبرد همنوایی دارد. این اثر نمایانگر این است که ماده میتواند در پوشاک و طراحیهای بصری بهکار گرفته شود، نه تنها نمونههای آزمایشگاهی.
کاربردها و پیامدها
فراتر از مد، منسوجات فوقمشکی پتانسیل کاربرد در حسگرهای نوری، مدیریت حرارتی و صنایع تئاتر یا نمایش را دارند، جایی که کنترل نور پراکنده اهمیت زیادی دارد. مواد با توانایی بالای بهدامانداختن نور میتوانند حساسیت ابزارها در دوربینهای علمی را افزایش دهند یا در پایانبندیهای معماری تابش خیرهکننده (glare) را کاهش دهند. از آنجا که فرایند از پلیمرهای قابلدسترس و اچینگ پلاسما استفاده میکند، مسیر حرکت به سوی کاربرد صنعتی امیدوارکننده بهنظر میرسد؛ با این حال پایداری در برابر شستوشو، فرسایش مکانیکی، ثبات رنگی در درازمدت و چالشهای تولید در مقیاس بزرگ نیازمند آزمونها و ارزیابیهای متمرکز خواهد بود.
اگرچه مطالعه—منتشرشده در نشریهٔ Nature Communications—ادعای دستیابی به «سیاه مطلق» را مطرح نمیکند، اما نشان میدهد مسیر عملیای برای جذب نزدیکبهکامل نور روی الیاف انعطافپذیر و پوشیدنی وجود دارد. برای طراحان، مهندسان و سازندگان ابزار، این موضوع یک پالت جدید از مواد با بازتاب فوقپایین (ultra-low-reflectance) فراهم میکند که تولید آنها نسبت به بسیاری از تکنولوژیهای فوقمشکی قبلی آسانتر است.
از منظر فنی، چند نکتهٔ کلیدی وجود دارد که ارزش تاکید دارند: نخست، پلیدُپامین بهعنوان یک لایهٔ پایه عمل میکند که نه تنها رنگ تیره فراهم میآورد بلکه میتواند پیوندهای شیمیایی یا فیزیکی اضافی با فیبر ایجاد کند و این در نهایت میتواند به پایداری لایهٔ نانوفیبریلها کمک کند. دوم، پارامترهای پلاسما—مانند نوع گاز (مثلاً اکسیژن، آرگون یا مخلوط)، توان ورودی، فشار محفظه و زمان پردازش—بر شکل، چگالی و طول نانوفیبریلها تاثیرگذارند و بنابراین مستقیماً بازتاب نوری را تعیین میکنند. سوم، توزیع زاویهای بازتاب (BRDF) برای ارزیابی عملکرد ماده در شرایط دید مختلف حیاتی است؛ همانطور که قبلاً اشاره شد، پارچهٔ کرنل امتیاز بهتری در حفظ بازتاب پایین در زاویههای نسبتاً گسترده نشان میدهد که در کاربردهای پوشیدنی و نمایشی مفید است.
در زمینهٔ تولید، استفاده از پشم مرینو چند مزیت دارد: این الیاف طبیعی دارای سطحی با ناهمواریهای منحصربهفرد هستند که با تغییرات میکروسکوپی قابلتطبیقاند، و بازار گستردهٔ صنعت نساجی و فرآیندهای آمادهسازی (مانند بافندگی، رنگرزی و تکمیل) از زیرساختهایی برخوردارند که میتوانند برای پذیرش تکنیکهای جدید، از جمله پوششهای پلیمر و پردازش پلاسما، توسعه یابند. با این حال لازم است بررسیهای زیستمحیطی و چرخهٔ عمر محصول (LCA) صورت گیرد تا مشخص شود آیا افزودن لایهٔ پلیمر و پردازش پلاسما بهطور کلی تأثیر زیستمحیطی را افزایش میدهد یا با طراحی درست میتواند پایدار باقی بماند.
مسالهٔ دیگری که باید روشن شود، مقاومت مکانیکی و پایایی لایهٔ مهرهای نانوفیبریلها در برابر مالش، کشش و سایش روزمره است؛ برای مصارف پوشیدنی، پارچه باید تحت چرخههای شستوشو و پوشیدن دوام کافی داشته باشد. پژوهشگران باید آزمونهای استاندارد مانند تستهای چرخهٔ شستوشو، تست سایش Martindale و ارزیابی تغییرات بازتاب پس از قرارگیری در معرض اشعهٔ ماوراءبنفش یا تعریق را انجام دهند تا مشخص شود آیا عملکرد فوقمشکی پس از استفادهٔ معمولی حفظ میشود یا نیاز به نگهداری ویژهای دارد.
از منظر علمی و مهندسی، این دستاورد نشاندهندهٔ همگرایی موفقِ چند حوزهٔ مختلف است: بیومیمتیک (یادگیری از ساختارهای تکاملی پرندگان)، شیمیِ مواد (پلیدُپامین و واکنشهای چسبندگی)، مهندسی سطح نانو (ایجاد نانوفیبریلها) و تکنولوژی تولید (پلاسما و فرایندهای مقیاسپذیر). ترکیب این حوزهها نقطهٔ قوتی است که میتواند زمینهٔ توسعه نسخههای دیگر با خواص خاص—مانند کنترل طیفی بازتاب برای جذب در پهنای باندهای مشخص، یا ترکیب خواص حرارتی و الکترومغناطیسی—را فراهم کند.
در پایان، این نوآوری نشان میدهد که چگونه مواد سنتیِ نساجی مانند پشم مرینو میتوانند با الهام از طبیعت و با کمک روشهای پیشرفتهٔ مهندسی سطح تبدیل به مواد عملکردی جدید شوند که نه تنها از نظر بصری جذاباند بلکه کاربردهای فناورانهٔ جدیای دارند. گام بعدی معمولاً شامل همکاری بین دانشگاه، صنعت مد و تولیدکنندگان نساجی برای تستهای میدانی، ارزیابیهای اقتصادی و اطمینان از اینکه فرایندها میتوانند به شکلی مقرونبهصرفه و با رعایت مقررات زیستمحیطی و ایمنی صنعتی پیادهسازی شوند، خواهد بود.
منبع: sciencealert
نظرات
نووا_ک
حس میکنم یه ذره اغراق داره، ولی ایده خوبه. اگر پایداری و هزینه حل بشه، کاربردای جالبی داره، ولی تا اون موقع...
دانیکس
تو لابراتوار دیدم الگوهای نانویی معجزه میکنن، ولی برای پوشاک واقعی باید تستای طولانی و مقاوم سازی انجام بشه، من تجربه دارم…
آرمین
واقعاً با جذب نزدیک ۹۹٫۸۷٪ میشه تولید صنعتی کرد؟ شک دارم، مخصوصا درباره شستوشو و سایش ۴۰-۵۰ چرخه…
لابکور
منطقیشه، استفاده از پلیدپامین و پلاسما ترکیب منطقیه. امیدوارم هزینهاش پایین بمونه و تولید مقیاسپذیر باشه
دیتاپالس
وااای این پشم فوق مشکی..! واقعاً غیرقابل باوره، ولی کنجکاوم تو شستوشو و پوشیدن روزمره چطور دوام بیاره؟
ارسال نظر