تجاوز الكيفلار، نسخة أخف وأقوى وصلت

البوليمرات البلاستيكية فائقة القوة

When studying ultra-resistant materials, the conversation often veers toward hard metals, from ordinary الحديد to more exotic التيتانيوم, التنغستن, or الرينيوم (follow the link for a dedicated investment report for each).

لكن هذه ليست الشكل الوحيد للمواد فائقة القوة. خيار آخر هو استخدام البوليمرات القوية، خاصةً في التطبيقات التي يكون فيها الوزن والمرونة مهمين أيضًا، وليس فقط الصلابة المطلقة ودرجة الانصهار العالية.

إحدى هذه المواد المعروفة هي الكيفلار. المادة المملوكة لشركة DuPont (DD ) تشتهر باستخدامها في السترات الواقية من الرصاص وتُستَخدم أيضًا في الحبال، والمعدات الصناعية والإنقاذية الوقائية، والفضاء الجوي، وألياف الاتصالات الضوئية، وحتى المنتجات الاستهلاكية الخارجية.

المصدر: DuPont

سر قوة الكيفلار هو شبكة كثيفة من الروابط الجزيئية على سطح ثنائي الأبعاد محكم، تشمل روابط هيدروجينية والعديد من الحلقات العطرية (سداسيات مكوَّنة من الكربون)، تشبه إلى حد ما الحرير الطبيعي، لكنها أقوى.

المصدر: Wikipedia

مع ذلك، لا توجد قاعدة في الفيزياء تقول إن الكيفلار هو أقوى مادة بوليمرية. تم اكتشاف بديل أقوى حتى من قبل باحثين في جامعة ديوك، وجامعة كورنيل، وجامعة نورثويسترن.

نشروا نتائجهم في مجلة Science المرموقة تحت عنوان “المركبات الثنائية الأبعاد المتشابكة ميكانيكيًا”¹.

نوع جديد من درع السلسلة البوليمرية

يستمد الكيفلار قوته من الروابط الجزيئية في سطح ثنائي الأبعاد. لكن عمومًا، تميل أقوى المواد إلى امتلاك بنية ثلاثية الأبعاد أكثر تعقيدًا.

على سبيل المثال، الدروع المتشابكة ككل أقوى بكثير من الحلقات الفردية التي تتكون منها. وهذا هو التصميم الذي سعى الباحثون إلى تقليده، ولكن باستخدام البوليمرات وعلى المستوى الجزيئي.

كانت الفكرة هي إنشاء مادة ميكانيكيًا متشابكة فائقة الرقة.

المصدر: Northwestern University

اختراع طريقة تصنيع جديدة

في حد ذاته، فكرة الروابط المتشابكة ليست جديدة، لكنها لم تُنتج بشكل موثوق أو على نطاق واسع حتى الآن. المشكلة كانت أن إنشاء هذا الترابط الميكانيكي (وليس الكيميائي) كان صعبًا جدًا. معظم المواد ببساطة لا تستطيع ذلك.

اعتمد الباحثون نهجًا جديدًا باستخدام مونومرات على شكل X (المونومر هو الوحدة البنائية الفردية للبوليمرات). ثم تم ترتيب كل مونومر في بنية بلورية منظمة للغاية.

بعد ذلك جعلوا البلورة تتفاعل مع جزيء آخر، مكونةً روابط داخل البلورة.

النتيجة النهائية كانت بنية معقدة مكوَّنة من عدة طبقات من صفائح البوليمر الثنائية الأبعاد المتشابكة. هذا خلق “خيوطًا” من المونومرات على شكل X متشابكة ميكانيكيًا مع بعضها البعض، دون أن تكون مرتبطة كيميائيًا. هذا المزيج من القفل الميكانيكي والقدرة على التحرك ضد بعضها البعض جعل المادة مرنة بشكل مدهش.

“إنها تشبه دروع السلسلة من حيث أنها لا يمكن تمزيقها بسهولة لأن كل رابط ميكانيكي يمتلك بعض الحرية للتحرك.

إذا سحبته، يمكنه توزيع القوة المطبقة في عدة اتجاهات. وإذا أردت تمزيقه، سيتعين عليك كسره في العديد، العديد من الأماكن المختلفة.

ويليام ديشتل، أستاذ الكيمياء في جامعة نورثويسترن.

أداء قياسي & قابلية التوسع

المادة التي تم اختراعها حديثًا تعرض ما يصل إلى 100 تريليون رابط ميكانيكي لكل سنتيمتر مربع، وهو أعلى كثافة للروابط الميكانيكية تم تحقيقها على الإطلاق في علم المواد. تم التحقق من هذه النتيجة مرتين باستخدام تقنيات الميكروسكوب الإلكتروني المتقدم، مما أكد بصريًا بنية الترابط.

لاختبار كفاءة هذه المادة الجديدة، اختبر الباحثون دمجها مع منتج من نفس عائلة الكيفلار: أولتم (بولي إيثير إيميد)، الذي تسوقه شركة النفط والبتروكيماويات السعودية SABIC.

أولتم هو ألياف بلاستيكية تتمتع بمقاومة عالية للحرارة والمواد الكيميائية. يُستخدم في العديد من القطاعات مثل الأجهزة الطبية، والإلكترونيات، والسيارات، والصناعة الكيميائية، والفضاء الجوي. يمكن أيضًا استخدامه في الطباعة ثلاثية الأبعاد (التصنيع الإضافي).

يُعد ULTM من بين القليل من الراتنجات المعتمدة للاستخدام في قطاع الفضاء الجوي التجاري. يتفوق على اللدائن الحرارية المماثلة عندما يتعلق الأمر بمقاومة الزحف، وهو ميل المواد إلى التشوه والتدهور تحت الضغوط الميكانيكية المتكررة.

كما أنه يتحمل جيدًا عند ملامسته لمختلف الوقود، ومبردات، وزيوت التشحيم. تضمن مقاومته للهب أن يلتزم باللوائح FAA 25.853 الخاصة بالقابلية للاشتعال.

Sybridge

أظهر الاختبار الأولي لمادة مركبة مكوَّنة من 97.5٪ ألياف أولتم و2.5٪ فقط من البوليمر الثنائي الأبعاد المكتشف حديثًا قوةً جذريًا أعلى. زاد ذلك من مقاومة ألياف أولتم للشد بنسبة 45٪ ومقاومتها للإجهاد بنسبة 22٪.

عامل رئيسي آخر في الفائدة المحتملة للتصنيع هو أن المادة الجديدة تم إنتاجها بكميات نسبياً كبيرة، حتى في بيئة التجارب المخبرية. صنع الباحثون نصف كيلوغرام من المادة الجديدة، وهو كمية أكبر بكثير من البوليمرات السابقة التي تحتوي على روابط ميكانيكية.

يمكن استخدام الطريقة التي طوروها للإنتاج الضخم، حيث يمكن أتمتة وتوسيع الخطوات المتتابعة لإنشاء بنية بلورية ثم الروابط الكيميائية.

ما التالي؟

المادة الجديدة بدأت للتو في التحليل من قبل فريق الباحثين.

حتى الآن، يبدو أن كل معيار تم قياسه يشير إلى أن البوليمر قوي بشكل استثنائي، أكثر بكثير من أي مادة بوليمرية تم اختراعها حتى الآن.

“لدينا المزيد من التحليل للقيام به، لكن يمكننا القول إنه يحسن من قوة هذه المواد المركبة. تقريبًا كل خاصية قمنا بقياسها كانت استثنائية بطريقة ما.”

من المحتمل أن يكون اختبار هذه المادة مخلوطة بكميات أكبر مع أولتم، وكذلك مع ألياف متقدمة أخرى، أحد الاختبارات الأولى التي ستُجرى.

يجب أيضًا اختبار الألياف النقية المصنوعة منها ومقارنتها بالكيفلار وأولتم. سيساعد مقاومة الظروف الواقعية في تقييم الإمكانات التجارية لهذا المنتج بشكل كامل.

التطبيقات

يبني هذا الاكتشاف على إرث خبرة جامعة نورثويسترن في الروابط الجزيئية. هناك، اخترع السير فريزر ستودارت روابط ميكانيكية على المستوى الجزيئي لإنشاء آلات جزيئية يمكنها التبديل، والدوران، والانكماش، والتمدد بطرق قابلة للتحكم.

حصل السير ستودارت على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016 لاكتشافه وكان مرشدًا لويليام ديشتل عندما كان باحثًا ما بعد الدكتوراه، وهو العالِم الرئيسي وراء اكتشاف البوليمر الجديد الشبيه بالدروع.

يعتقد ديشتل أن البوليمر الجديد يمتلك إمكانات كبيرة للدروع الخفيفة الوزن والأقمشة الباليستية. ومن المحتمل أيضًا أن يكون مفيدًا لأي تطبيقات أخرى تستخدم حاليًا الكيفلار و/أو أولتم.

يمكن أن تفتح القوة الفائقة والمرونة والخصائص الخفيفة الوزن للبوليمر تطبيقات جديدة حيث لا تكفي البوليمرات الحالية. على سبيل المثال، يمكن دمجه في الصواريخ، وبدلات الفضاء، والبطاريات، وغيرها.

إحدى التطبيقات التي من غير المرجح حدوثها هي الطباعة ثلاثية الأبعاد، حيث أن طريقة التصنيع الإضافي التي تتضمن صهر البلاستيك جزئيًا لتشكيله قد تعطل الروابط الميكانيكية الثلاثية الأبعاد للبوليمر.

الاستثمار في البوليمرات

سوق البوليمرات ضخم، حيث تبلغ قيمته حوالي 792 مليار دولار في عام 2024، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب 5.4٪ حتى عام 2034 ليصل إلى 1.3 تريليون دولار.

المصدر: Precedence Research

يمكنك الاستثمار في شركات الكيميائيات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، وكندا، وأستراليا، والمملكة المتحدة، بالإضافة إلى العديد من الدول الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات محددة، يمكنك أيضًا النظر في الصناديق المتداولة مثل iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) أو Vanguard Materials ETF (VAW) التي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من صناعة الكيميائيات.

شركة البوليمرات

DuPont

تُعد DuPont شركة كيميائية ضخمة تمتلك العديد من المواد الكيميائية ذات العلامات التجارية المهمة مثل الكيفلار، وستيروفوم، نومكس (حماية من الحرائق)، جريت ستاف (لاصق بناء)، وغيرها.

تُعد DuPont شركة قديمة ذات تاريخ معقد من الاستحواذات، ومؤخرًا سلسلة من الانقسامات.

المصدر: DuPont

هذه الانقسامات فصلت عن DuPont أقسام التغذية والعلوم الحيوية التي بيعت جزئيًا إلى Corteva Biosciences (CTVA ), ومنتجات التيتانيوم التي شكلت شركة Chemours (CC ), وقسم التنقل والمواد.

ستنفصل أيضًا عن أعمالها في المواد الكيميائية الإلكترونية في نوفمبر 2025، لكنها ستحافظ على قطاع المياه (الأغشية والمرشحات لتنقية المياه وتحلية المياه)، خلافًا للخطط السابقة.

المصدر: DuPont

سيجعل هذا من DuPont شركة أكثر تركيزًا، مع نشاط أساسي في البوليمرات المتقدمة لتقنيات تنقية المياه ومعدات الحماية، بالإضافة إلى مواد متقدمة للفضاء الجوي، والرعاية الصحية، والمركبات الكهربائية.

المصدر: DuPont

تُعد DuPont شركة دولية حقيقية، مع طلب مرتفع على المواد الكيميائية المتخصصة في تنقية المياه والتصنيع الصناعي.

القطاعات التي تخدمها مواد DuPont الكيميائية متنوعة جدًا، بما في ذلك البناء، وتنقية المياه، والصناعة الإلكترونية، والسيارات، والفضاء الجوي، والرعاية الصحية، والطاقة الخضراء، والإنتاج الصناعي.

المصدر: DuPont

إن الوجود القوي لشركة DuPont في معدات الحماية والموقع الراسخ لعلامة الكيفلار يجب أن يساعدها على التكيف مع الألياف البوليمرية فائقة المقاومة الجديدة التي تم مناقشتها في هذه المقالة. ومن المحتمل أيضًا أن تدمج هذه المواد الجديدة في خط الكيفلار الخاص بها من خلال إنشاء ألياف هجينة تحتوي على كلاهما.

على أي حال، مع نمو التقنيات الجديدة، وزيادة استهلاك المياه، يزداد الطلب على المواد الكيميائية المتقدمة التي تنتجها DuPont.

مرجع الدراسة:

^{1. Madison I. Bardot et al. (2025) بوليمرات ثنائية الأبعاد المتشابكة ميكانيكيًا.Science387,264-269. DOI:10.1126/science.ads4968}