دانشمندان چسبندگی گازمانند را در ماده دوبعدی جدید کشف کردند
اگر مهندسان بتوانند دقیقاً نحوه چسبیدن یا جدا شدن مواد دوبعدی را کنترل کنند، این امر فراتر از چسبندگی ثابت ساده به رابط‌های پویا و پاسخگو می‌رود. این می‌تواند به قطعات الکترونیکی خودآرا، حسگرهای پیشرفته‌ای که خواص خود را بر اساس تعاملات سطحی تغییر می‌دهند، یا حتی انواع جدیدی از محرک‌ها منجر شود.
فرارو- کشف جدیدی در علم مواد، درک متعارف ما از تماس مکانیکی جامد-جامد را به چالش می‌کشد. دانشمندان به تازگی ماده‌ای دوبعدی را کشف کرده‌اند که مکانیزم چسبندگی منحصربه‌فردی از نوع “شبه‌گازی” از خود نشان می‌دهد. این دستاورد مهم، که در تاریخ ۲۳ مه ۲۰۲۵ منتشر شد ، نحوه درک ما از تعاملات مواد در مقیاس نانو را بازتعریف می‌کند. برخلاف مواد سنتی که چسبندگی آن‌ها عمدتاً توسط نیروهای مکانیکی کنترل می‌شود، چسبندگی این ماده دوبعدی شامل تبدیل انرژی پویا بین گرما و کار مکانیکی است. این رفتار منحصربه‌فرد از ساختار اتمی بسیار نازک ماده و سختی خمشی بسیار کم آن ناشی می‌شود که به آن اجازه می‌دهد بسیار نزدیک‌تر از مواد حجیم به سطح بچسبد و فعالیت‌های حرارتی را به یک عامل مهم در خواص چسبندگی آن تبدیل کند.
به گزارش فرارو به نقل از ScienceDaily، هسته اصلی این چسبندگی “شبه‌گازی” به کاهش قابل اندازه‌گیری در آنتروپی پیکربندی (Configurational Entropy) هنگام چسبیدن لایه دوبعدی به یک بستر بازمی‌گردد. یک لایه دوبعدی آزاد به دلیل آزادی حرکت بیشتر، آنتروپی پیکربندی بالاتری دارد؛ اما پس از چسبیدن، بستر نوسانات خارج از صفحه آن را محدود کرده و در نتیجه درجات آزادی و آنتروپی آن را کاهش می‌دهد. هم مدل‌سازی نظری و هم شبیه‌سازی‌های اتمی تأیید می‌کنند که این تفاوت آنتروپی ناشی از چسبندگی با افزایش انرژی چسبندگی و کاهش فاصله پیوند تعادلی، تشدید می‌شود. علاوه بر این، انرژی و نیروهای چسبندگی ثابت نیستند، بلکه به دماهای سیستم بستگی دارند، که نشان‌دهنده تبدیل انرژی تقریباً برگشت‌پذیر بین انرژی حرارتی و کار مکانیکی در طول فرآیندهای چسبیدن و جدا شدن ماده است. این کشف، درک سنتی چسبندگی را که عمدتاً به عنوان یک تماس مکانیکی جامد-جامد در نظر گرفته می‌شد، به چالش می‌کشد. مکانیزم “جذب شبه‌گازی” که توسط تغییرات آنتروپی و وابستگی به دما هدایت می‌شود، نشان‌دهنده یک تغییر اساسی از مکانیک کلاسیک است. این فقط یک ماده جدید نیست، بلکه یک رده جدید از تعامل مواد است. این تغییر در درک می‌تواند به اصول کاملاً جدیدی برای طراحی مواد، به ویژه در مقیاس نانو، منجر شود، جایی که اثرات حرارتی و مکانیک کوانتومی نقش غالب‌تری ایفا می‌کنند. این امر نشان می‌دهد که علم مواد ممکن است نیاز به ارزیابی مجدد مدل‌های بنیادی برای ساختارهای فوق‌نازک داشته باشد و مسیرهایی را برای مواد “هوشمند” با خواص چسبندگی قابل تنظیم بر اساس عوامل محیطی مانند دما باز کند.
این درک بنیادی جدید از چسبندگی مواد دوبعدی برای طراحی و مهندسی آینده دستگاه‌های مبتنی بر مواد دوبعدی بسیار مهم است. این امر مسیرهای جدیدی را برای ایجاد موادی با خواص چسبندگی دقیقاً قابل کنترل باز می‌کند. اندازه‌گیری و تعدیل دقیق خواص چسبندگی سطحی برای مراحل مختلف، از جمله سنتز، انتقال و دستکاری مواد دوبعدی و همچنین ادغام آن‌ها در دستگاه‌های عملکردی و عملکرد آن‌ها، بسیار حیاتی است. تحقیقات کنونی چالش‌های ذاتی در اندازه‌گیری و تعدیل دقیق چسبندگی سطحی را به دلیل ماهیت فوق‌نازک و ابعاد جانبی محدود مواد دوبعدی برجسته می‌کند. برای رفع این مشکل، انواع روش‌های تجربی مانند آزمایش تیر دوطرفه (DCB)، آزمایش خمش چهار نقطه‌ای (4PB)، آزمایش خراش و نانواینتندیشن مبتنی بر میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به کار گرفته می‌شوند که هر یک مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. علاوه بر اندازه‌گیری، تلاش‌های قابل توجهی بر توسعه استراتژی‌های موثر تعدیل چسبندگی متمرکز شده است. این شامل اصلاح شیمیایی است که شامل معرفی گروه‌های عاملی به سطح بستر برای ایجاد پیوندهای شیمیایی قوی‌تر با مواد دوبعدی و در نتیجه افزایش چسبندگی می‌شود. علاوه بر این، تنظیم میدان‌های الکتریکی خارجی امکان کنترل دقیق نیروهای الکترواستاتیک در رابط‌ها را فراهم می‌کند و تعدیل پویا و برگشت‌پذیر چسبندگی را ممکن می‌سازد. بازپخت حرارتی (Thermal annealing) نیز یکی دیگر از تکنیک‌هایی است که برای تأثیرگذاری بر خواص چسبندگی مورد بررسی قرار می‌گیرد، که همگی با هدف بهبود پایداری و قابلیت اطمینان دستگاه‌های آینده انجام می‌شود. توانایی اندازه‌گیری دقیق و مهم‌تر از آن، تعدیل چسبندگی برای ساخت دستگاه‌ها بسیار مهم است. اگر مهندسان بتوانند دقیقاً نحوه چسبیدن یا جدا شدن مواد دوبعدی را کنترل کنند، این امر فراتر از چسبندگی ثابت ساده به رابط‌های پویا و پاسخگو می‌رود. این می‌تواند به قطعات الکترونیکی خودآرا، حسگرهای پیشرفته‌ای که خواص خود را بر اساس تعاملات سطحی تغییر می‌دهند، یا حتی انواع جدیدی از محرک‌ها منجر شود. تصور کنید الکترونیک انعطاف‌پذیری که می‌تواند خود را ترمیم کند یا شکل خود را بر اساس محرک‌های خارجی از طریق چسبندگی کنترل‌شده تطبیق دهد. این امر مواد دوبعدی را از یک کنجکاوی نظری به یک بلوک ساختمانی عملی و همه‌کاره برای دستگاه‌های نسل بعدی تبدیل می‌کند.
مقایسه چسبندگی مکانیکی سنتی و چسبندگی شبه‌گازی مواد دوبعدی
ویژگی
چسبندگی مکانیکی سنتی
چسبندگی شبه‌گازی مواد دوبعدی
نوع تعامل
تماس جامد-جامد
جذب شبه‌گازی
عامل اصلی
نیروهای بین‌مولکولی
تغییرات آنتروپی پیکربندی
وابستگی به دما
کم یا ناچیز
قابل توجه و پویا
تغییرات آنتروپی
نامربوط
کاهش آنتروپی
کاربردهای بالقوه
ساختارهای ثابت
دستگاه‌های نانومقیاس با چسبندگی قابل تنظیم، حسگرها، محرک‌ها
بیشتر بدانید:
چسب
ماده با خواص عجیب
