مواد مصنوعی: دنیایی ساخته دست بشر
مواد مصنوعی چیستند و چگونه متولد شدند؟
مواد مصنوعی به موادی گفته میشود که به صورت طبیعی در محیط زیست وجود ندارند و انسانها آنها را در آزمایشگاه یا کارخانه از طریق واکنشهای شیمیایی میسازند. نقطهٔ آغازین این داستان، ساخت باکلیت، اولین پلاستیک کاملاً مصنوعی، توسط لئو بیکلند در سال ۱۹۰۷ بود. این اختراع انقلابی به راه انداخت و راه را برای هزاران مادهٔ جدید هموار کرد.
تفاوت اصلی مواد مصنوعی و طبیعی در منشأ و ساختار مولکولی آنهاست. برای مثال، چوب یک مادهٔ طبیعی است، اما تختهخردهچوب (MDF) یک مادهٔ مصنوعی است که از خردههای چوب و چسب ساخته میشود. یا پنبه یک الیاف طبیعی است، اما نایلون یک الیاف کاملاً مصنوعی است که از نفت خام ساخته میشود.
دستهبندی اصلی مواد مصنوعی
مواد مصنوعی را میتوان به چند گروه بزرگ تقسیم کرد. هر کدام از این گروهها خواص و کاربردهای خاص خود را دارند.
| نوع ماده | توضیح | مثالهای رایج |
|---|---|---|
| پلاستیکها | پلیمرهای مصنوعی که میتوانند به شکلهای مختلف قالبگیری شوند. | بطری آب (PET)، اسباببازی (پلیاتیلن)، لوله (PVC) |
| کامپوزیتها | ترکیبی از دو یا چند ماده برای ایجاد خواص برتر. | فیبر کربن، فایبرگلاس، بتن مسلح |
| سرامیکهای مصنوعی | مواد غیرفلزی و غیرآلی که در دمای بالا ساخته میشوند. | شیشه، ظروف چینی، کاشیهای مقاوم به حرارت |
| الیاف مصنوعی | الیافی که از پلیمرهای مصنوعی تولید میشوند. | پلیاستر، نایلون، اکریلیک (پشم مصنوعی) |
| مواد هوشمند | موادی که به محرکهای خارجی (مانند دما، نور) واکنش نشان میدهند. | آلیاژهای حافظهدار، شیشههای فتوكرومیک (عینکهای آفتابی) |
فرمولهای ساده در دنیای مواد مصنوعی
درک برخی مفاهیم با کمک ریاضیات ساده آسانتر میشود. یکی از مهمترین مفاهیم، پلیمریزاسیون است؛ فرآیندی که در آن مولکولهای کوچک (مونومر) به هم متصل میشوند تا زنجیرههای بزرگ (پلیمر) را تشکیل دهند.
فرمول کلی: $ n(\ce{CH2=CH2}) \rightarrow \ce{-[CH2-CH2]-}_n $
در اینجا، $ n $ تعداد واحدهای تکراری است که عدد بزرگی مانند $ 10,000 $ است. هرچه این عدد بزرگتر باشد، پلیمر محکمتر است.
کاربرد مواد مصنوعی در زندگی روزمره
حالا بیایید ببینیم این مواد در اطراف ما چه کارهایی انجام میدهند. از لحظهای که از خواب بیدار میشوید تا زمانی که به رختخواب میروید، با مواد مصنوعی سروکار دارید.
مسواک شما: دستهٔ آن از پلاستیک (مثلاً پلیپروپیلن) ساخته شده است. موهای آن از نایلون است. حتی خمیردندان داخل لولهای از پلاستیک چندلایه قرار دارد.
اتومبیل خانواده: بدنه، داشبورد، صندلیها و بسیاری از قطعات داخلی از انواع پلاستیکها و کامپوزیتها ساخته شدهاند تا هم سبکتر باشند و هم ایمنی بیشتری داشته باشند. لاستیک چرخها نیز اغلب مصنوعی است.
تلفن همراه شما: این یک گنجینه از مواد مصنوعی است! بدنه از پلیکربنات، صفحهنمایش از شیشههای خاص مصنوعی، و بردهای داخلی از کامپوزیتهای پلیمری با رسانایی خاص ساخته شدهاند.
چالشها و آینده مواد مصنوعی: آلودگی و راهحلها
همهٔ داستان مواد مصنوعی مثبت نیست. بزرگترین مشکل آنها، آلودگی زیستمحیطی، به ویژه آلودگی پلاستیکی است. پلاستیکها به دلیل تجزیهناپذیری، برای صدها سال در محیط زیست باقی میمانند و به اکوسیستمها آسیب میزنند.
اما دانشمندان برای حل این مشکل در حال کار روی راهحلهای innovating (نوآورانه) هستند:
- پلاستیکهای زیستتخریبپذیر: این پلاستیکها از منابع طبیعی مانند ذرت ساخته میشوند و در طبیعت توسط میکروارگانیسمها تجزیه میشوند.
- اقتصاد چرخشی و بازیافت پیشرفته: هدف این است که زباله به منبع جدیدی تبدیل شود. برای مثال، از بطریهای پلاستیکی بازیافتی میتوان برای تولید الیاف پلیاستر در صنعت پوشاک استفاده کرد.
- طراحی برای بازیابی: طراحی محصولات به گونهای که به راحتی بتوان آنها را از هم جدا کرد و مواد آنها را بازیافت نمود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر، این یک اشتباه رایج است. مشکل اصلی نحوهٔ استفاده و دفع نادرست ماست، نه خود مواد. بسیاری از مواد مصنوعی مانند عایقهای پلیاستایرن که در ساختمانها استفاده میشوند، با کاهش مصرف انرژی، به حفظ محیط زیست کمک میکنند. همچنین، مواد مصنوعی در دستگاههای تصفیهٔ آب و فیلترهای کاهش آلودگی هوا نقش کلیدی دارند.
متأسفانه خیر. جمعیت کرهٔ زمین بسیار زیاد است و منابع طبیعی محدود هستند. برای مثال، اگر بخواهیم همهٔ کیسههای پلاستیکی را با کیسههای کاغذی جایگزین کنیم، باید جنگلهای زیادی قطع شوند که این خود فاجعهٔ زیستمحیطی دیگری است. راهحل، استفادهٔ هوشمندانه، کاهش مصرف و بازیافت و نوآوری در تولید مواد مصنوعی پایدارتر است.
کامپوزیتها، مانند فیبر کربن، نسبت استحکام به وزن بسیار بالاتری دارند. یعنی هماستحکام فولاد هستند اما وزن آنها بسیار کمتر است. این ویژگی برای صنایعی مانند هوافضا و خودروسازی که کاهش وزن برابر با صرفهجویی در انرژی و افزایش کارایی است، بسیار حیاتی میباشد. همچنین آنها در برابر خوردگی بسیار مقاومتر هستند.
پاورقی
1MDF (Medium-Density Fibreboard): تختهخردهچوب با چگالی متوسط، یک کامپوزیت چوبی مهندسیشده است که از fibres (الیاف) چوب به هم چسبیده تحت فشار و حرارت ساخته میشود.
2PET (Polyethylene Terephthalate): پلیاتیلن ترفتالات، یک نوع رایج از پلاستیک است که در ساخت بطریهای نوشیدنی و الیاف پلیاستر استفاده میشود.
3PVC (Polyvinyl Chloride): پلیوینیل کلراید، یک پلاستیک بسیار همهکاره و بادوام است که در ساخت لوله، کفپوش و پنجره استفاده میشود.
4Innovating: نوآوری کردن، معرفی ایدهها، روشها یا محصولات جدید.
