تولید الیاف خودترمیم‌شونده نانوساختار برای منسوجات هوشمند توسط محققان ایرانی

پژوهشگران دانشگاه صنعتی شاهرود با همکاری مراکز علمی بین‌المللی، موفق به توسعه الیاف ترکیبی پیشرفته‌ای از پلی‌یورتان و نانوبلورهای سلولز شده‌اند که قابلیت خودترمیمی و مقاومت بی‌نظیری در برابر خستگی و پیری از خود نشان می‌دهند. این دستاورد نوین، چالش‌های اساسی صنعت منسوجات پوشیدنی هوشمند را برطرف کرده و افق‌های تازه‌ای را برای تولید دستگاه‌های پوشیدنی با دوام، ایمن و راحت می‌گشاید.

چالش‌های کنونی در فناوری‌های پوشیدنی

با رشد فزاینده فناوری‌های پوشیدنی، نیاز به موادی که بتوانند همزمان راحتی، ایمنی و دوام را تضمین کنند، بیش از پیش احساس می‌شود. از لباس‌های پزشکی و تجهیزات ورزشی گرفته تا ابزارهای پایش سلامت، همه این کاربردها به الیافی نیاز دارند که علاوه بر انعطاف‌پذیری، در برابر فشارهای مکانیکی مکرر، کشش طولانی‌مدت و شرایط محیطی سخت مقاوم باشند. متأسفانه، الیاف رایج مانند پلی‌یورتان‌های سنتی، در مواجهه با این چالش‌ها دچار کاهش عملکرد شده و عمر مفید محدودی دارند.

نوآوری الیاف پلی‌یورتان-نانوسلولز

تیمی از محققان دانشگاه صنعتی شاهرود، با همکاری دانشگاه KLE هند، دانشگاه پلی‌تکنیک شی‌آن، دانشگاه جنگل‌داری نانجینگ و چندین مؤسسه علمی دیگر، رویکردی نوآورانه برای حل این مشکل ارائه کرده‌اند. آنها موفق به ساخت الیاف ترکیبی پلی‌یورتان-نانوسلولز شده‌اند 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.

نتایج شگفت‌انگیز آزمایش‌های مکانیکی

آزمایش‌های دقیق مکانیکی، کارایی فوق‌العاده این الیاف جدید را به اثبات رسانده است:

• افزایش استحکام و کشسانی: افزودن تنها یک درصد نانوسلولز به پلی‌یورتان، منجر به افزایش ۳۳.۹۲ درصدی میزان کشسانی تا نقطه شکست و رشد ۱۷.۹۳ درصدی استحکام کششی الیاف می‌شود.
• مقاومت در برابر خستگی و پیری: پس از انجام آزمون‌های سخت خستگی و پیری، خواص مکانیکی این الیاف تقریباً بدون تغییر باقی مانده است.
• ترمیم خراش‌ها: در آزمایش خراش، ترک‌های ایجادشده روی سطح الیاف حاوی ۱ درصد نانوسلولز به طور کامل ترمیم شدند و میزان کشسانی و استحکام به ترتیب ۵۷.۱۸ و ۱۲۸.۰۲ درصد افزایش یافت.
• بهبود کارایی با افزایش نانوسلولز: 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.
• پایداری حرارتی: الیاف ترکیبی از نظر پایداری حرارتی نیز عملکردی بهتر نشان دادند که 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 که نشان داد ترکیب با غلظت یک درصد نانوسلولز، بیشترین توانایی پیونددهی بین‌سطحی را دارد و تعادل مناسبی میان انعطاف‌پذیری و مقاومت مکانیکی ایجاد می‌کند.

کاربردهای صنعتی و چشم‌انداز آینده

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. این پیشرفت، مسیر توسعه حسگرهای انعطاف‌پذیر و بادوام را که می‌توانند حرکات بدن یا شاخص‌های فیزیولوژیکی را بدون افت کیفیت ثبت کنند، هموارتر خواهد کرد.

با توجه به رشد چشمگیر بازار پوشیدنی‌های هوشمند و افزایش تقاضا برای محصولاتی مانند دستبندهای سلامتی، لباس‌های ورزشی هوشمند و تجهیزات پزشکی پوشیدنی، الیاف خودترمیم‌شونده نانوساختار می‌توانند به افزایش اعتماد مصرف‌کنندگان و توسعه بازار کمک شایانی کنند.

گامی به سوی پایداری محیط زیست

محققان تأکید می‌کنند که این دستاورد تنها یک پیشرفت فناورانه نیست، بلکه گامی مهم 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 نه تنها هزینه‌ها و اثرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد، بلکه با سیاست‌های جهانی در زمینه اقتصاد چرخشی و توسعه پایدار همسو است.

این پژوهش مشترک، افق‌های تازه‌ای را در طراحی و ساخت الیاف پیشرفته گشوده و 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.