به گزارش روز شنبه گروه علمی >>ایرنا از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، میترا نجفلو دانش آموخته دکترای دانشگاه صنعتی امیرکبیر با راهنمایی و هدایت لیلا ناجی طرحی را با عنوان «تهیه هیدروژل‌های خود ترمیم‌شونده و ضد اشتعال بر پایه آلژینات برای کاربرد در ابرخازن‌های منعطف» را اجرایی کرد.
نجفلو هدف اصلی این پژوهش را طراحی و ساخت هیدروژل‌های خودترمیم‌شونده و ضد اشتعال مبتنی بر آلژینات بیان کرد و افزود: این تحقیق با هدف پاسخ‌گویی به چالش‌های کلیدی در زمینه مواد پیشرفته مورد استفاده در ابرخازن‌های منعطف، انجام شده است.
این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر خاطرنشان کرد: ابرخازن‌های منعطف به‌عنوان یکی از اجزای کلیدی ذخیره‌سازی انرژی در دستگاه‌های پوشیدنی، حسگرهای زیستی و تجهیزات الکترونیکی پیشرفته، با چالش‌هایی مانند حفظ عملکرد تحت شرایط خمش و تغییر شکل، پایداری الکتروشیمیایی در طول زمان و نیاز به مواد سازگار با محیط زیست مواجه هستند.
وی یادآور شد: برای پاسخ به این چالش‌ها، اجزای ابرخازن‌های منعطف باید ویژگی‌هایی نظیر انعطاف‌پذیری مکانیکی، رسانایی الکتریکی مناسب، پایداری حرارتی، زیست‌سازگاری و قابلیت بازیابی ساختار پس از آسیب را داشته باشند. در همین راستا، ما اقدام به طراحی و تولید هیدروژل‌هایی زیست‌سازگار و دارای خواص الکتروشیمیایی مطلوب کردیم که از ویژگی‌های زیر برخوردارند:
- خاصیت خودترمیم‌شوندگی برای افزایش طول عمر عملکردی
- مقاومت در برابر آتش‌سوزی برای افزایش ایمنی
- رسانایی یونی و الکتریکی مناسب برای استفاده در ذخیره‌سازی انرژی
- انعطاف‌پذیری بالا برای کاربرد در سطوح و دستگاه‌های خم‌شونده
- زیست‌سازگاری و تجزیه‌پذیری زیستی برای کاربردهای پزشکی و پایداری الکتروشیمیایی برای حفظ عملکرد در چرخه‌های شارژ و دشارژ مکرر
نجفلو گفت: در نتیجه، هیدروژل‌های تولیدشده قابلیت استفاده در حوزه‌های مختلف از جمله مهندسی پزشکی، حسگرهای زیستی، ابرخازن‌های منعطف و سایر فناوری‌های پیشرفته ذخیره انرژی را دارند؛ زیرا مجموعه‌ای از خواص موردنیاز این کاربردها را به‌طور هم‌زمان در خود جای داده‌اند.
به گفته وی این خواص شامل موارد زیر است:
۱. افزایش دوام و پایداری در برابر آسیب‌های مکانیکی: در بسیاری از کاربردهای منعطف و زیست‌پزشکی، مواد در معرض فشار، خمش یا ضربه قرار می‌گیرند. هیدروژل‌های خودترمیم‌شونده با توانایی بازگشت به ساختار اولیه پس از آسیب، موجب افزایش طول عمر و پایداری سیستم‌ها می‌شوند.
۲. مقاومت در برابر اشتعال: در حوزه‌های صنعتی و الکترونیکی، خطر آتش‌سوزی یک چالش مهم محسوب می‌شود. ویژگی ضد اشتعال این هیدروژل‌ها، از گسترش آتش جلوگیری کرده و ایمنی دستگاه‌ها را افزایش می‌دهد.
۳. نیاز به مواد زیست‌سازگار و با کارایی بالا: آلژینات به‌عنوان یک پلیمر زیست‌تجزیه‌پذیر و زیست‌سازگار که از جلبک‌های دریایی استخراج می‌شود، کاربرد گسترده‌ای در حوزه‌های مهندسی پزشکی، از جمله زخم‌پوش‌ها، سامانه‌های دارورسانی و پروتزهای زیستی دارد.
۴. توسعه فناوری‌های منعطف و قابل اطمینان برای دستگاه‌های پزشکی و الکترونیکی پیشرفته: با رشد روزافزون دستگاه‌های پوشیدنی پزشکی و حسگرهای زیستی، نیاز به موادی که بتوانند در شرایط متغیر محیطی و زیستی عملکرد مطلوبی ارائه دهند، افزایش یافته است.
وی هدف نهایی این تحقیق را توسعه موادی دانست که ضمن ارائه عملکرد مکانیکی، الکتریکی و زیستی بالا، انعطاف‌پذیر، بادوام و دوستدار محیط زیست باشند و بتوانند در فناوری‌های پیشرفته مانند ابرخازن‌های منعطف، سنسورهای هوشمند و تجهیزات مهندسی پزشکی نقش مؤثری ایفا کنند.
این دانش‌آموخته امیرکبیر گفت: این تحقیق به میزان قابل‌توجهی در دستیابی به اهداف موردنظر موثر بوده و از چند جهت دارای اهمیت است که یکی از این موارد ارتقای دانش در این حوزه است. توسعه هیدروژل‌های خودترمیم‌شونده و ضد اشتعال با استفاده از آلژینات، مرزهای دانش در زمینه مواد زیستی، ابرخازن‌های منعطف و مهندسی پزشکی را گسترش داده است. این تحقیق ترکیب جدیدی از زیست‌سازگاری، انعطاف‌پذیری و قابلیت خودترمیمی را معرفی کرده که می‌تواند الهام‌بخش تحقیقات آتی در حوزه مواد هوشمند باشد.
وی بُعد دیگر این دستاورد را روش سنتز ساده و قابلیت صنعتی شدن عنوان کرد و یادآور شد: روش سنتز هیدروژل‌ها در این تحقیق بر پایه فرآیندهای شیمی سبز و ساده طراحی شده است که از واکنش‌های قابل‌کنترل و مواد اولیه ارزان‌قیمت استفاده می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود تولید این مواد نه‌تنها برای پژوهش‌های آزمایشگاهی، بلکه برای تولید صنعتی نیز مقرون‌به‌صرفه باشد. هزینه پایین مواد اولیه (آلژینات) و فرآیند تولید ساده، تولید انبوه این مواد را اقتصادی و قابل‌رقابت در بازار جهانی می‌کند.
مجری این طرح تحقیقاتی، بومی‌سازی فناوری و پتانسیل تجاری‌سازی و کاربردی‌سازی را از دیگر دلایل اهمیت این طرح ذکر کرد و ادامه داد: استفاده از آلژینات در ترکیب با دیگر مواد برای تولید هیدروژل خود ترمیم‌شونده و ضد اشتعال یک رویکرد جدید است که می‌تواند به‌عنوان یک راهکار عملی و نوآورانه در صنایع مختلف از جمله انرژی، الکترونیک و مهندسی پزشکی معرفی شود. این تحقیق با ایجاد پل میان دانش پایه و کاربرد عملی، گامی مؤثر در جهت توسعه پایدار فناوری‌های هوشمند برداشته است و ظرفیت بالایی برای توسعه فناوری‌های منعطف و پایدار در سطح ملی و بین‌المللی دارد.
این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اضافه کرد: برای اجرایی کردن این طرح بعد از مرور پیشینه تحقیق، نسبت به انتخاب مواد اولیه آلژینات به دلیل زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، ضد اشتعالی و ویژگی‌های مکانیکی مناسب اقدام شد. طراحی و سنتز هیدروژل‌ها، آزمایش‌های عملکردی، تحلیل و بهینه‌سازی و در نهایت، تولید هیدروژل‌های با کارایی بالا و ارزیابی کاربردهای بالقوه در صنایع مختلف از دیگر فرایندهای اجرایی این طرح بوده است.
وی تنظیم تعادل بین خودترمیمی و خواص مکانیکی، بهبود هدایت الکتریکی، پایداری در شرایط متغیر محیطی، تکرارپذیری در فرآیند تولید را از چالش‌های اجرایی این مطالعات دانست و یادآور شد: نتایج این تحقیق در صنایع و حوزه‌هایی چون بهبود ابرخازن‌های منعطف و باتری‌های هوشمند ضد اشتعال برای کاربردهای پیشرفته، تولید سنسورهای زیستی و دستگاه‌های پوشیدنی با قابلیت انعطاف‌پذیری بالا، ضد اشتعالی و خودترمیمی، طراحی زخم‌پوش‌ها، دارورسانی کنترل‌شده، ایمپلنت‌های زیستی و پروتزهای هوشمند، استفاده از هیدروژل‌های زیست‌تجزیه‌پذیر در دستگاه‌های زیست‌پالایی، کاربرد دارد.
نجفلو انتشار نتایج این مطالعات در قالب چهار مقاله ISI و یک مقاله علمی-پژوهشی و ثبت اختراع را از دیگر دستاوردهای این تحقیق نام برد و گفت: خودترمیمی و قابلیت بازسازی ساختار بدون نیاز به مداخله خارجی، مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی، مناسب برای کاربردهای منعطف و پوشیدنی، ایمن برای استفاده در محیط زیست و کاربردهای پزشکی، از ویژگی‌های بارز هیدروژل های تولید شده است.