ICTPRESS - پژوهشگران دانشگاه ویسکانسین-مدیسن نوعی فوم متشکل از نانولوله‌های کربنی را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند سابقه نیرو و فشاری را که به آن وارد شده است، در رفتار مکانیکی خود حفظ کند.
به گزارش شبکه خبری ICTPRESS به نقل از ستاد نانو، این ماده پس از فشرده‌شدن و آزادشدن، در بارگذاری مجدد می‌تواند دقیقاً به همان حالت مکانیکی پیشین بازگردد؛ قابلیتی که یادآور نحوه ثبت و بازیابی اطلاعات در هارددیسک‌های مغناطیسی است. این یافته می‌تواند مفهوم جدیدی از «حافظه مکانیکی» را فراتر از ساختارهای رایج دوحالته مطرح کند.
در نخستین نسل‌های رایانه، ذخیره اطلاعات با سازوکارهایی کاملاً مکانیکی و با استفاده از چرخ‌دنده‌ها و اهرم‌ها انجام می‌شد. امروزه نیز پژوهشگران به دنبال ساخت سامانه‌هایی هستند که بتوانند اطلاعات را نه در قالب بار الکتریکی یا داده‌های مغناطیسی، بلکه مستقیماً در رفتار و شکل مکانیکی یک ماده نگهداری کنند. در چنین رویکردی، خود ماده می‌تواند سابقه نیروهای واردشده را در نحوه تغییر شکل و بازگشت خود ثبت کند.
در پژوهشی که در نشریه Physical Review X منتشر شده است، راماثاسان تِواماران و همکارانش در دانشگاه ویسکانسین-مدیسن نشان داده‌اند که فومی ساخته‌شده از نانولوله‌های کربنی با آرایش عمودی می‌تواند چنین رفتاری از خود نشان دهد. این فوم قادر است میزان فشاری را که پیش‌تر تجربه کرده است، در وضعیت مکانیکی خود «به خاطر بسپارد» و پس از رهاشدن، بدون آسیب یا تغییر شکل دائمی، به وضعیت اولیه بازگردد.
بخش قابل‌توجهی از پژوهش‌های مربوط به حافظه مکانیکی تاکنون بر ساختارهای موسوم به «دوحالته» یا bistable متمرکز بوده است. در این ساختارها، یک جزء کوچک می‌تواند میان دو وضعیت پایدار جابه‌جا شود، درست مانند کلیدی که بین حالت روشن و خاموش تغییر می‌کند. چنین سامانه‌ای امکان ذخیره یک بیت ساده از اطلاعات را فراهم می‌کند، اما دامنه حالت‌هایی که می‌توان در آن ذخیره کرد، محدود به همان دو وضعیت است.
برخی مواد دیگر رفتارهای حافظه‌مانند پیوسته‌تری نشان می‌دهند، اما این مواد ممکن است در اثر استفاده مکرر دچار تغییر شکل دائمی یا افت عملکرد شوند. در برخی موارد نیز ماده باید پیش از استفاده تحت فرایندهای خاصی قرار گیرد تا بتواند رفتار قابل‌اعتمادی از خود نشان دهد. بنابراین، یکی از چالش‌های اصلی در این حوزه، یافتن ماده‌ای است که بتواند سابقه مکانیکی خود را حفظ کند و در عین حال پس از هر بار اعمال نیرو، به‌صورت کشسان و بدون آسیب دائمی به حالت خود بازگردد.
برای بررسی این موضوع، گروه تِواماران سراغ فوم‌هایی رفت که از نانولوله‌های کربنی با آرایش عمودی ساخته شده بودند. پژوهشگران این فوم را بارها تحت فشار قرار دادند تا پاسخ مکانیکی آن به وضعیت پایداری برسد و سپس رفتار آن را هنگام کاهش و افزایش مجدد فشار بررسی کردند.
نتایج نشان داد این فوم دارای پدیده‌ای به نام «حافظه نقطه بازگشت» یا return-point memory است. در این حالت، اگر ماده تا حد مشخصی فشرده شود، سپس بخشی از فشار از روی آن برداشته شود و دوباره تحت فشار قرار گیرد، فوم می‌تواند دقیقاً به همان وضعیت مکانیکی برسد که پیش از آن تجربه کرده بود. به بیان ساده‌تر، ماده مسیر مکانیکی قبلی خود را از یاد نمی‌برد.
این رفتار از جهاتی با عملکرد حافظه در هارددیسک‌های مغناطیسی قابل مقایسه است. در هارددیسک، تغییر جهت میدان مغناطیسی می‌تواند ماده را به وضعیت مغناطیسی ثبت‌شده قبلی بازگرداند. در فوم نانولوله‌ای نیز تغییرات مکانیکی ناشی از فشار و آزادسازی آن می‌تواند وضعیت قبلی ماده را تعیین کند. البته سازوکار فیزیکی این دو پدیده یکسان نیست و شباهت آنها بیشتر در مفهوم بازگشت به یک وضعیت ثبت‌شده قبلی است.
بررسی‌های پژوهشگران نشان دادند که عامل اصلی این حافظه مکانیکی را باید در اصطکاک در مقیاس نانو جست‌وجو کرد. نانولوله‌های مجاور درون فوم هنگام فشرده‌شدن بارها روی یکدیگر می‌لغزند، به یکدیگر گیر می‌کنند و سپس از هم جدا می‌شوند. همین چرخه‌های مکرر چسبیدن و لغزش، سابقه نیروهای واردشده را در ساختار فوم باقی می‌گذارد.
نکته مهم این است که این فرایند لزوماً به کشیده‌شدن دائمی یا شکستن ساختار نانولوله‌ها منجر نمی‌شود. در نتیجه، فوم می‌تواند اطلاعات مربوط به وضعیت مکانیکی قبلی خود را حفظ کند و در عین حال قابلیت بازگشت کشسان خود را از دست ندهد.
پژوهشگران همچنین دریافتند که سختی این فوم را می‌توان از دو مسیر متفاوت تنظیم کرد. اعمال فشار بیشتر باعث می‌شود فوم سفت‌تر شود، در حالی که تکان‌دادن یا لرزش آن می‌تواند سختی ماده را کاهش دهد. این قابلیت نشان می‌دهد که ویژگی‌های مکانیکی فوم صرفاً به یک وضعیت ثابت محدود نیست و می‌توان آنها را با سابقه اعمال نیرو تغییر داد.
اهمیت این یافته در آن است که حافظه مکانیکی را از چارچوب ساختارهای ساده‌ای که تنها میان دو وضعیت جابه‌جا می‌شوند، فراتر می‌برد. اگر بتوان رفتار ناشی از اصطکاک در مقیاس نانو را با دقت کنترل کرد، ممکن است بتوان موادی طراحی کرد که بدون نیاز به باتری، تراشه یا مدار الکترونیکی، اطلاعاتی درباره نیروهای واردشده به خود حفظ کنند.
چنین موادی در آینده می‌توانند برای کنترل و کاهش ضربه، فیلترکردن ارتعاشات یا ایجاد سامانه‌های مکانیکی با قابلیت انجام محاسبات ساده مورد بررسی قرار گیرند. در این حالت، خود ماده و تغییرات درونی آن می‌توانند بخشی از فرایند پردازش اطلاعات را انجام دهند و نیازی به تبدیل همه رویدادهای مکانیکی به سیگنال‌های الکتریکی نباشد.
پژوهشگران دانشگاه ویسکانسین-مدیسن بر این باورند که سازوکار مبتنی بر اصطکاک مشاهده‌شده در فوم نانولوله‌های کربنی ممکن است منحصر به این ماده نباشد. مواد الیافی یا نانوساختارهای دیگری نیز ممکن است رفتارهای مشابهی داشته باشند و بتوانند سابقه نیرو یا تغییرات مکانیکی را در ساختار خود ثبت کنند.
از این منظر، یافته جدید تنها معرفی یک فوم خاص نیست، بلکه می‌تواند مسیر جست‌وجو برای دسته گسترده‌تری از مواد دارای حافظه مکانیکی را باز کند؛ موادی که بتوانند هم‌زمان ویژگی‌هایی مانند بازگشت‌پذیری، قابلیت تنظیم سختی و حفظ سابقه مکانیکی را در خود جمع کنند. چنین رویکردی می‌تواند به توسعه نسل تازه‌ای از مواد هوشمند و سامانه‌های مکانیکی کم‌مصرف و غیرفعال کمک کند.
نظرات کاربران