درس های نانویی که محققان از عقرب گرفتند!

ما انسان ها در جستجوی مواد پایدار هستیم در حالی که طبیعت طی میلیون ها سال روی مشکل پایداری کار کرده است و مدت طولانی تری درگیر آن بوده است. در یک مطالعه جدید محققان موسسه علوم وایسمن نشان می دهند که چگونه ترفند های طراحی به کار گرفته شده توسط موجودات باستانی مانند عقرب و اسفنج ها می تواند به بهینه سازی انعطاف پذیری مواد ساخت بشر کمک کند و در نهایت طراحی مواد پایدارتری را امکان پذیر کند.

به گزارش کم یوروپ دانیل واگنر از دپارتمان شیمی مولکولی و علم مواد وایسمن که در حال مطالعه جنبه های مکانیکی مواد است می گوید: «در دنیای طبیعی مواد طی میلیون ها سال تکامل یافته اند در محیط هایی که اغلب با منابع محدود و شرایط سخت تعریف می شوند. نقطه شروع کار ما این بود که دریابیم ساختار های بیولوژیکی اطراف ما نظیر درختان گیاهان استخوان ها اسکلت های موجودات مختلف چطور به گونه ای توسعه یافته اند که طبق تعریف پایدار باشند.»

گرینفلد یکی از محققان این پروژه می گوید: «از این نظر دوام یک پارامتر کلیدی است. به عنوان مثال موجودات زنده راهبرد های تخصصی مختلفی را برای مقابله با نیرو های خارجی و در عین حال صرف کمترین انرژی به نمایش می گذارند؛ به همین دلیل است که می توان از طبیعت آموخت زیرا ما سعی می کنیم مواد قوی تر و ماندگارتر تولید کنیم. افزایش استحکام مواد اغلب منجر به یک معامله در انعطاف پذیری می شود. اما طبیعت ساختار هایی ایجاد کرده است که هر دو را به دست می آورد.»

واگنر و گرینفلد دو لایه طبیعی را مورد بررسی قرار دادند که درجه سختی استثنایی را نشان می دهند: پوسته بیرونی یا کوتیکول یک نوع عقرب و اسکلت داخلی یا اسپیکول یک نوع اسفنج دریایی.

محققان دریافتند که راز انعطاف پذیری آنها در درجه بندی نهفته است راهبردی تخصصی که به ندرت در مواد ساخت بشر یافت می شود: تغییر تدریجی خواص از یک لایه به لایه دیگر.

در هر دو موجود لایه های مختلف ضخامت متفاوتی دارند و در پوسته عقرب نیز از بیرون به داخل سفتی کاهش می یابد به طوری که سطح بیرونی که با دنیای خشن زندگی عقرب در آن زندگی می کند در تماس مستقیم است انعطاف پذیری بیشتری نسبت به داخل پوسته اش دارد. در واقع مطالعه محققان بر روی عقرب نشان داد که پوسته پیچیده این موجودات ترکیبی است که از هشت سطح ساختاری مختلف ساخته شده است.

هم در عقرب و هم در اسفنج یک تغییر یا مرتب کردن لایه های ظریف و در عین حال قدرتمند دیده شد که به آنها کمک می کند تا در برابر انواع استرس ها مقاومت کنند.

به لطف راهبرد درجه بندی پوسته عقرب و اسکلت اسفنج در عین اینکه سخت و قوی هستند به ویژه در مقاومت در برابر ترک ها خوب هستند. اگرچه آنها از نظر ترکیب شیمیایی و ساختار متفاوت هستند هر دو این مقاومت را با استفاده از یک اصل بهینه می کنند: انحراف شکست.

این بدان معنی است که در هر دو این موجودات ترک ها با منحرف کردن مسیر خود کاهش می یابند. به محض اینکه ترک در ماده ظاهر می شود ترک در ساختار درجه بندی شده مواد به جای رفتن به نقطه عمیق تر در همان لایه متوقف شده و از آسیب بیشتر جلوگیری می کند.

گرینفلد و واگنر اشاره می کنند که وارد کردن مفاهیمی مانند درجه بندی طراحی های دست ساز انسان بسیار چالش برانگیز است. گرینفلد می گوید: «برای انسان چنین طراحی نوآورانه است. ساختار های بیولوژیکی از پایین به بالا ایجاد می شوند از بلوک های ساختمانی کوچک و نانومتری تا ساختار های میکروسکوپی و بعد به ساختار های بزرگتر و بزرگتر؛ در حالی که در مهندسی معمولاً از سطح مولکولی کار شروع نمی شود.»

کوتیکول عقرب به اندازه مو نازک است حدود ۰٫۱ میلی متر ضخامت دارد و شامل ۲۰ لایه است که از تعداد زیادی صفحه مارپیچ تو در تو ساخته شده است که حدود ۱۰۰ نانولایه دارد و هر کدام از این لایه ها ۵۰ نانومتر ضخامت دارند. یک نانولایه منفرد از فیبر های کیتین-پروتئین به ضخامت ۵ نانومتر ساخته شده است که به صورت الیاف جمع آوری شده است.

واگنر و گرینفلد که بیش از یک دهه است با هم کار می کنند از پیشینه های حرفه ای متفاوتی هستند. واگنر مدت هاست که تحقیقات پایه ای در زمینه میکرومکانیک مواد کامپوزیتی بیولوژیکی و نانومواد ساخت بشر مانند نانولوله های کربنی و گرافن انجام داده است. گرینفلد در مهندسی هوانوردی فعالیت دارد. واگنر می افزاید: «کار ما دقیقاً کپی کردن نیست. ما به دنبال الهام از طبیعت هستیم.»

انتهای پیام/