מהנדסים מאוניברסיטת דיוק הצליחו ליצור שכבות של רשתות פחמן בעובי של אטום יחיד (גרפן) במשולב עם פולימרים ליצירת חומרים ייחודיים בעלי טווח נרחב של יישומים, לרבות שרירים מלאכותיים.
| קפלי גרפן. איורך אוניברסיטת דיוק |
מהנדסים מאוניברסיטת דיוק הצליחו ליצור שכבות של רשתות פחמן בעובי של אטום יחיד (גרפן) במשולב עם פולימרים ליצירת חומרים ייחודיים בעלי טווח נרחב של יישומים, לרבות שרירים מלאכותיים.
הרשת, הידועה בשם גרפן, מורכבת מאטומי פחמן טהור ונראית כרשת ברזל של לול תרנגולים. לאור תכונותיו האופטיות, האלקטרוניות והמכאניות הייחודיות שלו, גרפן משמש ברכיבי אלקטרוניקה, בהתקנים לאחסון אנרגיה, בחומרים מרוכבים וביישומים בתחום הביו-רפואה.
יחד עם זאת, קשה מאוד לטפל בגרפן מאחר והוא נוטה להתקפל בקלות ולכן תכונותיו יכולות להשתנות, כתלות בנסיבות. לרוע מזלם, מדענים לא הצליחו לשלוט בקיפול של גרפן בעל ממדים גדולים ולנצל כראוי את תכונותיו הייחודיות. הפרופסור להנדסה מאוניברסיטת דיוק Xuanhe Zhao מדמה את האתגר הטמון בשליטה בגרפן להבדל שבין פרישה של עיתון לעומת פרישה של נייר טואלט רטוב.
"אם אתה מקפל נייר רגיל, ניתן לאחר מכן לשטח אותו די בקלות", מסביר החוקר. "לעומת זאת, גרפן דומה יותר לנייר טואלט רטוב. הוא דקיק ודביק במיוחד וקשה לשטח אותו חזרה לאחר שהוא כבר התקפל. פיתחנו שיטה לפתרון בעיה זו ולשלוט בהתקפלות ובשיטוח של גרפן בעל ממדים גדולים".
המהנדסים מאוניברסיטת דיוק קשרו את הגרפן לרצועת גומי שנמתחה לפני כן פעמים רבות מאורכה המקורי. ברגע שמשחררים את רצועת הגומי מהמתח בו היא מצויה, חלק מהגרפן נתלש מהרצועה בעוד שחלק אחר ממנו נשאר דבוק אליה, תוך יצירת תבנית של גרפן תלוש-דבוק בגודל של מספר ננומטרים. ברגע שרצועת הגומי נרפית מהמתח בו היא נמצאה, הגרפן התלוש מתכווץ לכדי קפל. ברגע שרצועת הגומי נמתחת שוב, הגרפן הדבוק מושך את הגרפן המקופל ומשטח אותו. "בצורה זו, ניתן לשלוט בקיפול וביישור של גרפן בממדים גדולים פשוט באמצעות מתיחה ושחרור של רצועת גומי, אפילו בעזרת הידיים", מסביר החוקר הראשי. תוצאות המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Materials.
"הגישה שלנו פותחת צוהר לניצולן של תכונות ופונקציות חדשות של גרפן", מוסיף אחד מהחוקרים. "לדוגמה, אנו יכולים לכוונן את השקיפות של החומר גרפן משקוף לחלוטין ועד להיותו אטום לחלוטין בעזרת קיפולו, והחזרתו למצבו המקורי ע"י השטחתו."
בנוסף, החוקרים מאוניברסיטת דיוק קשרו את הגרפן לפולימרים שונים לשם הכנת חומר "רך" המסוגל להתנהג בדומה לרקמות שריר ע"י מתיחתו וכיווצו בהתאם לנדרש. כאשר מפעילים על הגרפן מתח חשמלי, השריר המלאכותי מתרחב מבחינת שטחו; כאשר מפסיקים את המתח הוא הופך לרפוי. שינוי המתח מאפשר בקרה על רמת הכיווץ והרפיון של השריר המלאכותי. "כך", מסביר החוקר הראשי, "הקיפול והיישור של הגרפן מאפשר תנועתיות נרחבת של השריר המלאכותי".
"שרירים מלאכותיים חדשים סוללים את הדרך לפיתוחן של טכנולוגיות מגוונות החל מרובוטים ומערכות להעברת תרופות וכלה בהתקנים לניצול אנרגיה ואחסונה," מוסיף החוקר הראשי. "במיוחד, במערכות כאלו טמונה היכולת לשפר את איכות חייהם של מיליוני אנשים נכים באמצעות אספקת התקנים זולים כגון תותבות קלות-משקל וצגי ברייל בגודל דף מלא. ההשלכות הנרחבות של שרירים מלאכותיים חדשים שוות ערך להשלכות של חומרים פייזואלקטריים על החברה הכללית".
הידיעה על המחקר
| {loadposition content-related} |
קפלים של גרפן.
