این «فرامادّه» از هر ماده‌ای در طبیعت محکم‌تر است

فرادید: موادی که قوی و در عین حال سبک هستند، مانند فیبر کربن و گرافن، برای ساختن همه چیز از ایمپلنت‌های پزشکی گرفته تا کشتی‌های هوایی استفاده می‌شوند. بنابراین توسعه موادی با «نسبت قدرت به وزن» بیشتر، هدف بسیاری از دانشمندان حوزۀ مواد است.

با این حال، آنچه که آنها تاکنون با استفاده از تکنیک‌های تولید موجود توانسته‌اند ایجاد کنند، به دلیل توزیع نابرابر بار و نیرو، به اندازه همتایان طبیعی خود قوی نبوده‌اند.

ما چیان (Ma Qian) استاد برجسته تولید مواد پیشرفته در دانشگاه RMIT گفت: «در حالت ایده‌آل، فشار و نیروی خارجی در همه مواد پیچیده سلولی باید به طور یکنواخت پخش شود».

اما به تازگی تیم دستیاران چیان با استفاده از تکنیک پرینت سه بعدی فلزی پیشرفته، یک «فراماده» جدید (یعنی ماده‌ای با خواصی که در طبیعت دیده نمی‌شود) تولید کرده‌اند؛ ماده‌ای با ساختار شبکه‌ای که تنش بار را به طور یکنواخت توزیع می‌کند.

در جریان آزمایش‌ها معلوم شد که فرامادۀ آن‌ها که از یک آلیاژ تیتانیوم معمولی تشکیل شده، ۵۰ درصد قوی‌تر از قوی‌ترین آلیاژ موجود با چگالی مشابه در هوافضا است.

چیان گفت: «ما یک ساختار شبکه‌ای لوله‌مانند و توخالی طراحی کردیم که یک نوار نازک در داخل آن قرار دارد. این دو عنصر در کنار هم میزانی از قدرت و سبکی را نشان می‌دهند که هرگز با هم در طبیعت دیده نشده بود. با ادغام موثر دو ساختار شبکه‌ای مکمل برای توزیع یکنواخت تنش، از نقاطی که فشار معمولاً در آن‌ها متمرکز می‌شود اجتناب کرده‌ایم».

(تصویر بالا یک ماده معمولی را از جهت تمرکز فشار در نقاط مختلف با فرامادۀ جدید مقایسه می‌کند. سمت چپ تصویر یک ماده معمولی را نشان می‌دهد که در نقاط پر قرمز و سبز تحت فشار شدیدتری قرار گرفته. سمت راست تصویر فراماده جدید را نشان می‌دهد که فشار بیرونی در آن در هیچ نقطۀ خاصی متمرکز نشده و کاملا پخش شده است. این همان چیزی است که مقاومت خارق‌العاده‌ای به این ماده می‌بخشد.)

تیم RMIT برای ایجاد فرامادۀ فوق‌العاده قوی خود بر یک تکنیک چاپ سه‌بعدی به نام «همجوشی بستر پودر لیزری» تکیه کردند که بسیار متفاوت از چاپ سه‌بعدی سنتی است که در آن ماده از یک نازل لایه به لایه بیرون می‌زند.

در این روش، یک لایه پودر فلز روی پایه چاپگر پخش می‌شود. سپس از لیزر برای ذوب پودر در الگوی مورد نظر استفاده می‌شود. سپس لایه دیگری از پودر به بستر اضافه می‌شود و این فرآیند تکرار می‌شود و فلز تازه ذوب شده به فلز زیر آن متصل می‌شود.

در حالی که این تکنیک امکان ایجاد فراماده منحصر به فرد را فراهم می‌کند، مشکل اینجاست که امکان استفاده از آن در بیرون از آزمایشگاه در حال حاضر چندان فراهم نیست.

به گفتۀ این دانشمندان، فرایندهای تولید سنتی برای ساخت این فرامادۀ پیچیدۀ فلزی قابل استفاده نیستند و دستگاه‌های همجوشی بستر پودر لیزری نیز در حال حاضر چندان فراوان نیست.

با این حال، همانطور که فناوری توسعه می‌یابد، امکان ساخت انبوه این فراماده نیز در دسترس‌تر می‌شود و فرآیند چاپ سریع‌تر افراد بیشتری را قادر می‌سازد تا فراماده بسازند.