طراحی و ساخت الیاف نانویی خودترمیم‌شونده برای پوشیدنی‌های هوشمند

ایرنا/ تهران- ایرنا- محققان دانشگاه صنعتی شاهرود با همکاری پژوهشگران چندین دانشگاه معتبر بین‌المللی از جمله دانشگاه KLE هند، دانشگاه پلی‌تکنیک شی‌آن و دانشگاه جنگل‌داری نانجینگ چین، موفق به طراحی و ساخت الیاف نانوساختاری شدند که ویژگی خودترمیمی، مقاومت در برابر خستگی و پیری و انعطاف‌پذیری بالا را در کنار هم دارند.

به گزارش روز یکشنبه گروه علمی ایرنا از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این دستاورد که بر پایه ترکیب پلی‌یورتان و نانوبلورهای سلولز به دست آمده، می‌تواند تغییراتی در حوزه منسوجات پوشیدنی هوشمند ایجاد کند؛ چرا که یکی از چالش‌های اساسی در این صنعت، ضعف الیاف رایج در برابر فشارهای مکانیکی و گذر زمان است.

---

بازار

---

در آزمایش‌ها مشخص شد این الیاف نه‌تنها ترک‌ها و خراش‌های سطحی را در ادوات پوشیدنی ترمیم می‌کنند، بلکه استحکام و کشسانی آن‌ها پس از آزمون‌های سخت نیز کاهش نمی‌یابد.

رشد سریع فناوری‌های پوشیدنی و نیاز روزافزون به دستگاه‌هایی که بتوانند همزمان راحتی، ایمنی و دوام را تأمین کنند، موجب شده پژوهشگران به دنبال مواد نوینی برای ساخت منسوجات هوشمند باشند. از لباس‌های پزشکی گرفته تا تجهیزات ورزشی و حتی ابزارهای پایش سلامت، همه این کاربردها به الیافی نیاز دارند که هم انعطاف‌پذیر باشند و هم در برابر خستگی و پیری مقاومت کنند. با این حال، بیشتر الیاف رایج مانند پلی‌یورتان‌های سنتی در برابر فشارهای تکراری، کشش طولانی‌مدت یا شرایط محیطی سخت دچار کاهش عملکرد می‌شوند و همین موضوع عمر مفید آن‌ها را محدود می‌کند.

گروهی از محققان دانشگاه صنعتی شاهرود در همکاری مشترک با دانشگاه KLE هند، دانشگاه پلی‌تکنیک شی‌آن، دانشگاه جنگل‌داری نانجینگ و چند مؤسسه علمی دیگر، رویکردی نوآورانه برای رفع این مشکل ارائه داده‌اند. آن‌ها موفق به ساخت الیاف ترکیبی پلی‌یورتان ـ نانوسلولز شدند که علاوه بر انعطاف‌پذیری بالا، توانایی خودترمیمی و مقاومت چشمگیری در برابر خستگی و پیری دارند.

اساس این نوآوری استفاده از نانوبلورهای سلولز (CNC) است؛ موادی زیست‌پایه و سازگار با محیط زیست که می‌توانند با زنجیره‌های مولکولی پلی‌یورتان پیوند هیدروژنی برقرار کنند. این پیوندها شبکه‌ای پویا و انعطاف‌پذیر ایجاد می‌کنند که مانند یک چسب طبیعی، ترک‌ها و آسیب‌های ایجادشده در ساختار الیاف را ترمیم می‌کند. به بیان دیگر، هرگاه الیاف در اثر فشار یا کشش دچار خراش یا شکستگی سطحی شوند، ساختار مولکولی آن‌ها مجدداً بازآرایی شده و آسیب به‌طور خودبه‌خودی برطرف می‌شود.

نتایج آزمایش‌های مکانیکی نشان داد افزودن تنها یک درصد نانوسلولز به پلی‌یورتان، باعث افزایش ۳۳.۹۲ درصدی میزان کشسانی تا نقطه شکست و رشد ۱۷.۹۳ درصدی استحکام کششی الیاف می‌شود. این در حالی است که پس از انجام آزمون‌های سخت خستگی و پیری، خواص مکانیکی این الیاف تقریباً بدون تغییر باقی مانده است. حتی در آزمایش خراش، ترک‌های ایجادشده روی سطح الیاف حاوی یک درصد نانوسلولز به طور کامل ترمیم شدند و میزان کشسانی و استحکام به ترتیب ۵۷.۱۸ و ۱۲۸.۰۲ درصد افزایش یافت.

یکی از یافته‌های جالب پژوهش این بود که با افزایش درصد نانوسلولز، کارایی خودترمیمی نیز بهبود می‌یابد. در نمونه‌ای که ۵ درصد نانوسلولز داشت، کشسانی و استحکام کششی پس از فرآیند خودترمیم به ترتیب ۱۵۵.۷۲ و ۱۶۹.۱۱ درصد افزایش یافت. افزون بر این، الیاف ترکیبی از نظر پایداری حرارتی نیز عملکردی بهتر نشان دادند و این ویژگی، امکان استفاده آن‌ها در شرایط محیطی سخت را بیشتر می‌کند.

پژوهشگران برای تحلیل دقیق‌تر روابط میان پلی‌یورتان و نانوسلولز از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی بهره گرفتند. این شبیه‌سازی نشان داد که ترکیب با غلظت یک درصد نانوسلولز، بیشترین توانایی پیونددهی بین‌سطحی را دارد و همین موضوع تعادل مناسبی میان انعطاف‌پذیری و مقاومت مکانیکی ایجاد می‌کند.

فراتر از جنبه‌های آزمایشگاهی، این تیم تحقیقاتی توانست الیاف جدید را به صورت نخ روکش‌دار الاستیک نیز تولید کند. این محصول اولیه نشان می‌دهد که ترکیب تازه، قابلیت ادغام مستقیم در پارچه‌ها و تجهیزات پوشیدنی هوشمند را دارد. به این ترتیب، مسیر توسعه حسگرهای انعطاف‌پذیر و بادوام که بتوانند حرکات بدن یا شاخص‌های فیزیولوژیکی را بدون افت کیفیت ثبت کنند، هموارتر خواهد شد.

اهمیت این نوآوری زمانی بیشتر آشکار می‌شود که بدانیم بازار پوشیدنی‌های هوشمند در سال‌های اخیر رشد چشمگیری داشته و پیش‌بینی‌ها از تداوم این روند حکایت دارند. با افزایش تقاضا برای محصولاتی مانند دستبندهای سلامتی، لباس‌های ورزشی هوشمند و تجهیزات پزشکی پوشیدنی، نیاز به موادی که دوام و ایمنی را تضمین کنند بیش از پیش احساس می‌شود. الیاف خودترمیم‌شونده نانوساختار می‌توانند این شکاف را پر کنند و به افزایش اعتماد مصرف‌کنندگان و توسعه بازار کمک کنند.

به گفته محققان، این دستاورد تنها یک پیشرفت فناورانه نیست بلکه گامی در جهت پایداری محیط زیست نیز به شمار می‌رود. استفاده از نانوسلولز، که منبعی تجدیدپذیر و زیست‌سازگار است، جایگزینی سبز برای مواد افزودنی شیمیایی رایج محسوب می‌شود. این امر نه‌تنها هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد، بلکه با سیاست‌های جهانی در زمینه اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار همسو است.

این پژوهش مشترک دانشگاه صنعتی شاهرود و همکاران بین‌المللی خود افق‌های تازه‌ای را در طراحی و ساخت الیاف پیشرفته گشوده است. این الیاف ترکیبی با خاصیت خودترمیمی و مقاومت در برابر خستگی و پیری، همسو با نیازهای آینده صنعت پوشیدنی‌های هوشمند بوده و ارزش اقتصادی و کاربردی بالایی دارد. انتظار می‌رود در آینده نزدیک، شاهد ورود این نوع فناوری‌ها به عرصه تولید صنعتی و به دنبال آن، افزایش دوام و ایمنی محصولات هوشمند در بازار جهانی باشیم.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Self-healing polyurethane/cellulose nanocrystal composite fibers with fatigue and aging resistance for smart wearable elastic yarns منتشر شده است.