معجزه مواد با چاپگر سه بعدی

تابش تراهرتزی حوزه‌ی جدید و امیدبخشی در فناوری است که نسبت به پرتو ایکس توانایی انجام آزمون‌های غیرتهاجمی و تحلیل سریع‌تر و کارآمدتر مواد را فراهم می‌آورد.
اخیرا پژوهشگران روشی برای ساخت لنزهای با قابلیت عملکرد در فرکانس‌های تراهرتزی را ارائه کرده‌اند که ضمن سادگی از قیمت مناسبی نیز برخوردار است و می‌توان به وسیله‌ی این لنزها تصویری تقریبا بی نقص و با کیفیت به دست آورد. قابلیتی که می‌تواند به بهبود چشمگیر حوزه‌ی تصویر برداری پزشکی یا تصویربرداری‌های امنیتی – برای مثال کشف عوامل انفجاری- بیانجامد.
فرکانس تراهرتز در طیف الکترومغناطیس جایی بین امواج میکروویو و امواج فروسرخ قرار دارد و طول موج این امواج از ۱ میلی متر تا ۰.۱ میلیمتر را پوشش می‌دهد. این امواج خواص ویژه‌ای دارند که علت آن نیمه گذرده بودن بیشتر مواد از جمله بافت‌های زیستی نسبت به این امواج است. این پدیده ویژگی مذکور را برای این امواج فراهم می‌آورد که می‌توان از الگوی این گذردهی به عنوان اثرانگشتی از ماده‌ی مورد نظر استفاده کرد که این مورد تحلیل جنس ماده بر پایه‌ی اطلاعات به دست آمده از این امواج را امکان پذیر می‌کند. در حقیقت این دسته از امواج فاصله و شکاف عملکردی بین دو موج فروسرخ و میکروویو را می‌پوشانند و می‌توان اطلاعات بسیار زیادی را به وسیله‌ی آن‌ها به دست آورد.
تاکنون دستگاه‌های اندکی برپایه‌ی این امواج توسعه داده شده‌اند که برخی از آن‌ها با کمک شناساگرهای گرافنی کار می‌کردند. البته دستگاه‌هایی که بیشتر جنبه‌ی تجاری داشتند تا کنون تنها در کاربردهای امنیتی و حفاظتی و در طیف امواج زیر میلیمتری کار می‌کردند تا بتوان به وسیله‌ی آن‌ها مواد زیستی خطرناک یا مواد منفجره را تشخیص داد. به همین جهت برای توسعه‌ی بیشتر این ابزارها و به کارگیری آن‌ها در کاربردهای دیگر  گروهی از پژوهشگران در دانشگاه نورث وسترن لنزی را به وسیله‌ی فرامواد و چاپگرهای سه بعدی ساخته‌اند که تکنیک ساخت آن را مشابه میکرولیتوگرافی بوده و به وسیله‌ی پلیمر حساس به نور فرابنفش (در اینجا لیزر فرابنفش) و ایجاد الگوهای مختلف مواد بر روی یکدیگر به شکل به هم پیوسته ساخته می‌شد.
این روش که قابلیت ایجاد الگوهای بسیار ریز مورد نیاز در ساخت این لنز را داراست می‌تواند به وسیله‌ی فناوری چاپ سه بعدی دقت و آزادی عمل بالایی را برای طراحی ساختارهای فراماده برای طراحان پدید آورد. به شکل طبیعی در ساخت یک لنز عوامل بسیار زیادی وجود دارد که می‌تواند موجب ایجاد نقیصه و عملکرد ضعیف آن شود، به صورتی که در بسیاری از ابزارهای نوری امروزی برای دستیابی به تصویر صحیح از قرار دادن چندین لایه از لنز‌ها بر روی هم برای رسیدن به بازدهی نوری بالا استفاده می‌شود که به شکلی طبیعی روشی دشوار و البته گران قیمت به حساب می‌آید. در این روش جدید به جای ساخت لنز با قالبگیری یا تراشکاری، از نور برای شکل دهی پلیمری و سخت کردن آن استفاده می‌شود که موجب می‌شود تا دقت کار برای ساخت یک ساختار سه بعدی به دقتی نزدیک به دقت لیزر نزدیک باشد. در نتیجه به کارگیری این روش به جای آن که نقطه‌ی کانونی لنز به انحنای ناشی از جاذبه یا قالب بستگی داشته باشد تعیین نقطه‌ی کانونی با تغییر تدریجی در ضریب شکست ماده‌ی به کار رفته در ساخت لنز اتفاق می‌افتد. به بیان دیگر به جای آنکه با ایجاد انحنا در لنز میزان شکست نور در طول مسیر گذر از درون لنز و بازگشت به محیط خارج به شکلی ناگهانی تعیین شود، تغییر تدریجی ضریب شکست درون ساختار موجب می‌شود تا نور به شکلی مناسب تغییر مسیر داده و متمرکز یا واپاشیده شود در نتیجه بر خلاف لنزهای معمولی نیازی به سامانه‌ای جداگانه برای اصلاح نقایص عملکردی لنز اصلی وجود ندارند.
به عنوان یک مثال ساده از چنین کارکردی می‌توان از کارکرد چشم انسان نام برد که از ضریب شکستی متغیری بهره می‌برد تا بتواند اشیا با فواصل مختلف را به شکلی واضح ببیند. این دقت بالا در لنز جدید از آن جا ناشی می‌شود که اجزای این لنز بسیار کوچک‌تر از طول موج امواج تراهرتز هستند در نتیجه با سرهم کردن این اجزا می‌توان توزیعی از ضرایب شکست مختلف را در ماده ایجاد کرد ویژگی که در روش‌های قدیمی ساخت لنز امکان دستیابی به آن وجود نداشت.
به گفته‌ی این پژوهشگران، لنز جدید می‌تواند تصویربرداری تراهرتزی را با هزینه‌ای پایین‌تر امکان پذیر کند ضمن اینکه می‌تواند وضوح نهایی قابل دستیابی را نیز افزایش دهد. این ویژگی‌ها در نهایت خود را در کاربری وسیع‌تر این روش تصویر برداری به خصوص در کاربردهای امنیتی امکان پذیر می‌کند چرا که روش تراهرتزی برخلاف اشعه‌ی ایکس می‌تواند امکان شناسایی اشیاء پلاستیکی را نیز فراهم کند. ضمن اینکه می‌توان به کمک آن سلاح‌های شیمیایی یا میکروبی یا حتی مواد منفجره‌ی پلاستیکی همچون Semtex را نیز شناسایی کرد. نکته‌ی جالب توجه دیگر اینکه مضرات این روش برای بافت‌های زنده نسبت به پرتو ایکس بسیار کمتر است و می‌توان آن را تا حد زیادی بی خطر محسوب کرد.


چاپ سه بعدی گرافین هواژل، سبک‌ترین ماده‌ دنیا

گرافین هواژل، سبک‌ترین ماده‌ی دنیا، ۷/۵ برابر سبک‌تر از هوا بوده و چگالی آن حدودا ۱۰۰۰ برابر کمتر از آب است. جرم یک متر مکعب از گرافین هواژل تنها ۱۶۰ گرم ‌است. این ماده حدودا ۱۲ درصد نیز از ایروگرافیت، دومین ماده‌ی سبک دنیا، سبک‌تر است. در حقیقت چگالی گرافین هواژل به قدری پایین است که می‌توان چند سانتی‌متر مکعب از آن را بر روی یک قاصدک قرار داد.
اگرچه از سال ۲۰۱۳ تا کنون سیلیکا هواژل بیش‌ترین کاربرد را در صنایع و پژوهش‌های مختلف را دارد، اما با این حال عنوان سبک‌ترین ماده‌ی دنیا به گرافین هواژل تعلق دارد و بنظر می‌رسد که تولید آن نیز به لطف دستاورد اخیر دانشمندان در پرینت سه بعدی این ماده، بسیار ساده‌تر شده است.
اگرچه خواص فیزیکی هواژل یا "دود یخ زده" مشابه یک گاز است، اما این ماده در حقیقت به حالت جامد است. از ویژگی‌های این ماده می‌توان به انعطاف‌پذیری بسیار بالا، رسانایی، تراکم‌پذیری و خاصیت جذب اشاره کرد.
پژوهشگران به لطف خواص بسیار منحصربفرد هواژل، قادر به استفاده از آن در کاربردهای متنوعی مانند پوشش‌های نامرئی و پاکسازی محیط زیست، شده‌اند؛ تنها یک گرم از هواژل قادر به جذب موادی مانند نفت به میزان ۹۰۰ برابر جرم خود است. بنابراین یافتن راهکاری برای ساده‌سازی پروسه‌ی تولید آن، بسیار حائز اهمیت است.
اما اکنون گروهی از محققین دانشگاه‌های ایالتی نیویورک و کانزاس، به راهکاری جهت چاپ سه بعدی با کیفیت بالا و یکنواخت گرافین هواژل و به صورت خودکار دست یافته‌اند.
گرافین به خودی خود، لایه‌ای دو بعدی و با ضخامتی معادل ابعاد یک اتم از اتم‌های خالص کربن است که به صورت فشرده در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل یک شبکه‌ی هگزاگونال را داده‌اند. برای تولید گرافین هواژل باید پس از خشک کردن انجمادی لایه‌های گرافین، آن‌ها را بر روی هم انباشته کرده و تشکیل یک ساختار سه بعدی را داد.
سازگار کردن گرافین هواژل با فناوری چاپ سه بعدی به هیچ وجه دستاورد کوچکی محسوب نمی‌شود؛ چرا که ساختار مولکولی این ماده‌ی شگفت‌انگیز به گونه‌ای است که چاپ آن را بسیار دشوار می‌کند.
برای آنکه چاپ سه بعدی هواژل امکان‌پذیر باشد، ماده‌ی اصلی تشکیل‌دهنده‌ی آن با مواد دیگری مانند یک پلیمر، مخلوط می‌شود تا بدین ترتیب امکان خارج شدن آن از داخل چاپگرهای جوهرافشان فراهم شود. پس از تشکیل ساختار سه بعدی، پلیمر یاد شده توسط یک فرایند شیمیایی از آن جدا می‌شود. اما در خصوص گرافین هواژل، انجام این کار باعث از بین رفتن ساختار ظریف آن می‌شود.
اما راهکار چیست؟ گرافین اکسید، شکلی از گرافین به همراه مولکول‌های اکسیژن است. پژوهشگران با مخلوط کردن این ترکیب با آب و اضافه کردن آن بر روی سطحی که دمای آن تا ۲۵- درجه‌ی سلسیوس پایین آورده شده، قادر به منجمد کردن سریع تک تک لایه‌های گرافین و تشکیل دادن ساختار سه بعدی هواژل احاطه شده توسط یخ، شده‌اند.
طبق گفته‌های راتهی، پس از اتمام فرایند تشکیل ساختار سه بعدی، یخ‌های موجود در مجاور این ساختار به موجب فرایند خشک کردن انجمادی به کمک نیتروژن مایع، بدون آنکه صدمه‌ای به ساختار یاد شده وارد کند، از اطراف آن زدوده می‌شوند.
راتهی می‌گوید:
در مرحله‌ی بعد برای حذف اتم‌های اکسیژن، به ماده‌ حرارت داده می‌شود؛ بنابراین در نهایت تنها گرافین در داخل هواژل باقی می‌ماند. چگالی جسم حاصل از این فرآیند در بازه‌ی بین ۰/۵ تا ۱۰ کیلوگرم بر متر مکعب قرار می‌گیرد. چگالی سبک‌ترین ساختار هواژلی که تا کنون ساخته شده‌ است، برابر با ۰/۱۶ کیلوگرم بر متر مکعب است.
گفتنی است اعضای تیم قصد دارند تا از راهکار ابداعی خود برای تولید سایر انواع هواژل نظیر سیلیکا هواژل نیز استفاده کنند.