יבמ פיתחה פולימרים חזקים בעלי כושר התאוששות עצמית

דף הבית >> פיתוחים חדשים וצ'יפים >> יבמ פיתחה פולימרים חזקים בעלי כושר התאוששות עצמית
יבמ פיתחה פולימרים חזקים בעלי כושר התאוששות עצמית
מאת: חיים חביב, 20.5.14, 07:30IBM
 
הפיתוח התאפשר בסיוע כלי כימיה חישובית והסתמכות על מערכות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים במיוחד, לבניית מודלים של הריאקציות הכימיות המתקיימות בתהליך יצירת הפולימר.

מדענים במעבדת המחקר של יבמ חשפו פיתוח מהפכני - סוג חדש של פולימרים, שמסוגלים לשנות את עולם הייצור בתחומי התחבורה, התעופה והמיקרו-אלקטרוניקה. באמצעות גישה ייחודית המשלבת מחשוב עתיר ביצועים עם כימיה של פולימרים סינתטיים, מציעים החומרים החדשים עמידות יוצאת דופן בפני סדקים ושברים, חוזק גדול מעצמות אנושיות, ואפשרות שחזור עצמי של צורתם המקורית - הכול מבלי לוותר על מחזור מלא לחומרים המקוריים מהם יוצרו.
 
החומרים החדשים מהווים תשתית למבנים פולימריים מורכבים, שמוסיפים 50% לחוזק המבני הכולל באופן ההופך אותם חזקים במיוחד וקלי משקל ביחס לחומרים אחרים בעלי חוזק דומה. המחקר התנהל בשיתוף עם אוניברסיטאות ברקלי בארה"ב, איינדהובן בהולנד ועיר המדע ע"ש המלך עבדולעזיז (KACST) שבסעודיה. תוצאות המחקר התפרסמו השבוע בעיתון המדעי "Science".
 
הפולימרים - שרשרת ארוכה של מולקולות הקשורות זו לזו בקשרים כימיים, מהווים חלק בלתי נפרד מחיי היום יום שלנו. הם מרכיבים מגוון רחב של חפצים החל מבגדים ובקבוקי משקה (פוליאסטר), צבעים (פוליקריל), בקבוקי חלב עשויים פלסטיק (פוליאתילן), אריזות מזון (פוליאולפין, פוליסטירין) ועד לחלקים בכלי רכב ומטוסים (אפוקסי, פוליאמיד ופולימיד). הם גם רכיב חיוני בכל טכנולוגיה תעשייתית החל מעידן המהפכה התעשייתית ועד ימינו: מנוע הקיטור, ספינת החלל, המחשב והטלפון הסלולרי.
 
הפולימרים של ימינו מוגבלים בתחומים מסוימים. בעולם התחבורה והתעופה, חשופים רכיבים מבניים לפגעי הסביבה: החל מהפשרת שטח הכנפיים של מטוסים, דרך בעיה בחשיפה לדלקים ועד לעמידות נמוכה בפני שבר מאמץ לאחר חשיפה לממיס, למשל. בנוסף, קשה למחזר את הפולימרים האלה משום שאי אפשר להתיך ולצקת אותם מחדש לאחר עיצובם הראשוני. בעת חשיפה לחום גבוה, הם נשרפים ופולטים חומרים רעילים. כתוצאה מכך נצברים מלאים גדולים באתרי האשפה בפסולת רעילה המסכנת את סביבתה.
 
חומרים חדשים
הסוג החדש של החומרים, שפותחו ב- IBM, הם בעלי טווח רחב של כיוונון ועיצוב מאפייני חוזק, גמישות ומשקל ומציגים הזדמנות ליישומים חדשים ולפיתוח מוצרים הנשענים על היכולות הייחודיות לחומרים האלה: חוזק גבוה, עמידות בפני ממיסים, יכולת לתיקון עצמי של סדקים המתגלים בהם ואפשרות לשלב חומרים מרוכבים אחרים להגברת החוזק.
 
לפיתוח החומרים החדשים השתמשו החוקרים בגישה חדשנית של "כימיה חישובית", שמאפשרת להאיץ את תהליך גילוי החומרים בשילוב עם ניסיונות במעבדה ותוך הסתמכות על מערכות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים במיוחד לבניית מודלים של הריאקציות הכימיות המתנהלות לאורך תהליך יצירת הפולימר.
 
בעולם אידיאלי עתידי יוכלו מדענים להזין למחשב רשימת דרישות מוגדרות  ולהטיל עליו לתכנן מולקולות, שתעננה בדיוק לדרישות אלו, כמו גם את תהליכי הייצור של מולקולות אלו. לרוע המזל, חומרים חדשים עודם מתגלים בעיקר בניסיונות במעבדה, שנשענים על הידע, הניסיון וההכשרה המדעית של החוקרים המפתחים אותם. שיטות הכימיה החישובית, שפותחו ביבמ, עשויות לקצץ חלק ניכר מעבודת הניחוש, הניסוי והטעייה ולהאיץ רשימה ארוכה של מאמצי פיתוח. תרופות ממוקדות במחלה, רכיבים לכלי רכב שיהיו זולים, חזקים וניתנים למחזור כולם ניתנים לפיתוח באמצעות כלי כימיה חישובית.

הפולימר החדש אינו מושפע מחשיפה לתמיסות בסיסיות (pH גבוה), אולם מתפרק באופן סלקטיבי בחשיפה לחומצות חריפות במיוחד (pH נמוך). מכאן, שבתנאים הנכונים, ניתן לפרק את הפולימר לחומרים ממנו נבנה, באופן המאפשר שימוש חוזר בחומרים אלה בפולימרים אחרים. ניתן לייצר חומר חזק עוד יותר אם מערבבים אל תוך הפולימר ננו-שפורפרות של פחמן או חומרי מילוי וחיזוק אחרים, תוך חימום לטמפרטורות גבוהות. התהליך מאפשר להקנות לפולימרים תכונות דומות לאלה של מתכות.  ואכן, "חומרים מרוכבים" המשלבים פולימרים וחומרים מחזקים משמשים לייצור מטוסים ומכוניות. החומרים האלה קלים יותר ממתכת  ומאפשרים חיסכון בעלויות הדלק.
 
בטמפרטורות נמוכות יותר, אפילו בטמפרטורת החדר, ניתן לבנות פולימרים המתנהגים כג'ל אלסטי  אך עדיין חזקים מרוב הפולימרים המוכרים כיום. החומרים החדשים האלה שומרים על האלסטיות שלהם, משום שהממיס כלוא ברשת המולקולות  ומאפשר להן להתמתח כסרט גומי.
 
מאפיין מרתק של הג'ל החדש הזה הוא העובדה, שכאשר מנתקים חלקים ממנו ומחזירים אותם אחר כך כל חלק אל קרבת החלק האח, עד כדי מגע פיזי ביניהם, מתחדשים הקשרים הכימיים בין החלקים והופכים אותם לשלם אחד בתוך שניות ספורות. בזכות יכולת השחזור הזאת זכו הפולימרים האלה לתואר "בעלי כושר ריפוי עצמי". כך, ניתן לחשוב עליהם כעל חומר גלם מתאים במיוחד למוצרי הדבקה וחבישה או ביישומים המשלבים אותם עם פולימרים אחרים, לבניית מערכות ורכיבים בעלי כושר התאוששות ושחזור עצמי. ניתן למחזר את הפולימרים האלה במים רגילים ולהשתמש בהם גם ביישומים הדורשים הרכבה מחדש דוגמת הולכת תרופות בגוף.
 
פולימרים חדשים



 
 
Bookmark and Share