מאת: אופיר מרום
הטבע הוא מקור השראה וידע לפיתוח חומרים. הנדסת החומרים, שנשענה עד כה בעיקר על ידע פיסיקלי וכימי, מתחילה להתבסס גם על ידע ביולוגי. לצורך הנגשת הידע הביולוגי למהנדסי חומרים מזוהים בעולם החומר בטבע דפוסים, אשר מהווים פתרונות לאתגרים הנדסיים. ג'ואנה מקיטריק ומארק מאיירס מאוניברסיטת קליפורניה שבסאן דייגו, החוקרים יותר מעשור את תחום העקרונות המבניים בטבע, השתמשו במגוון רחב של כלים מתקדמים, ופיתחו בדיקות עבור תכונות מכאניות של חומרים ננומטרים, כדי להבין את המבנה הבסיסי של חומרים שונים בבעלי חיים ובצמחים. בסקירה מקיפה שפרסמו לאחרונה במגזין science הם מתרכזים בשלושה מאפיינים של חומרים ביולוגים: קלות משקל, קשיחות וחוזק. לפי תפישתם, הבנת העקרונות המאפשרים את מימוש המאפיינים הללו יקדם פיתוח חומרים ביומימטיים.
איך נוצרים בטבע חומרים קשיחים?
איך נוצרים בטבע חומרים קלים שעמידים לכיפוף?
אצל חיות רבות קיימים מבנים עמידים למאמצים, שהם בד בבד גם קלים במשקל, מבנים המאפשרים להם יכולת תנועה ומעוף. לרוב בנויים חומרים אלו ממבנים דמויי צינורות חלולים, העשויים מחומרים דקים וקשיחים. ככל שהקוטר של הצינורות גדול יותר עולה הנטייה שלהם לקרוס תחת מאמץ. כדי להגביר את עמידותם, יש בטבע פתרונות שונים לחיזוק פנימי, כמו: הוספת פיגומים פנימיים (עצמות הכנפיים של מגוון ציפורים), דיסקיות לחיזוק (בענפי במבוק), או מילוי בחומר דומה לקצף, כמו בקוציו של הדורבן או במקור של ציפור הטוקן.
איך נוצרים בטבע חומרים חזקים?
למקור הידיעה
זיהוי דפוסים בעולם החומר בטבע מאפשר הבנת העקרונות המבניים של חומרים טבעיים, וקידום פיתוחם של חומרים ביומימטיים.
איך נוצרים בטבע חומרים קשיחים?
חומרים קשיחים מסיטים סדקים על ידי הצבת מכשולים שונים, המונעים מהסדקים להתפשט בקו ישר, לגדול ולהפוך לשבר. לחומרים בטבע אסטרטגיות שונות להשיג את התוצאה הזאת. אחת מהן היא להטמיע סיבי קולגן מתיחים במינרלים פריכים, ואסטרטגיה נוספת היא שימוש בממשקים בין שכבות החומרים כדי ליצור מכשולים. דוגמא יפה לכך היא מבנה הצדפה של האבלון (Abalone). הצדפה בנויה מאריחים זעירים של קלציום קרבונט, המצופים בשכבה דקה של חומר אורגני רך, שהוא חזק מספיק לקשור בין האריחים, אך חלש דיו כדי לאפשר להם להחליק זה על זה ולספוג אנרגיה בתהליך.
איך נוצרים בטבע חומרים קלים שעמידים לכיפוף?
אצל חיות רבות קיימים מבנים עמידים למאמצים, שהם בד בבד גם קלים במשקל, מבנים המאפשרים להם יכולת תנועה ומעוף. לרוב בנויים חומרים אלו ממבנים דמויי צינורות חלולים, העשויים מחומרים דקים וקשיחים. ככל שהקוטר של הצינורות גדול יותר עולה הנטייה שלהם לקרוס תחת מאמץ. כדי להגביר את עמידותם, יש בטבע פתרונות שונים לחיזוק פנימי, כמו: הוספת פיגומים פנימיים (עצמות הכנפיים של מגוון ציפורים), דיסקיות לחיזוק (בענפי במבוק), או מילוי בחומר דומה לקצף, כמו בקוציו של הדורבן או במקור של ציפור הטוקן.
איך נוצרים בטבע חומרים חזקים?
ביו-פולימרים, כגון קולגן, הם מרכיב מרכזי בחומרים טבעיים חזקים. תחת מאמצים נמוכים, הם יכולים לעבור מתיחה ניכרת, הסלסול הפנימי של המולקולות נמתח ונפרם מבלי להישבר. תחת מאמצים גבוהים יותר, נמתח עמוד השדרה של הפולימר עצמו. ביו-פולימרים אלה נמצאים בין מינרלים נוקשים, ודבר זה נותן לחומרים את כוחם הטבעי. דוגמא יפה לכך הם הסיבים של קורי העכביש. חומר זה, הידוע כאחד החומרים החזקים בטבע, בנוי מננו-קריסטלים, המורכבים מאוסף של ממשטחי בטא הקשורים אחד לשני בקשרי מימן הנחשבים חלשים. תחת מאמצים נמוכים ההתנהגות דומה לזו של סיבי הקולגן, אך כשהמאמץ עולה העומס עובר אל הננו-קריסטלים. אם יש צורך, חלק מקשרי המימן מחליקים זה על זה כדי לאפשר לסיבים להימתח מבלי להיקרע. העובדה שקורי העכביש נסמכים על קשרי המימן מראה שיש לחוקרים אפיקים חדשים להתקדמות, בדרך למציאת חומרים חזקים יותר.
למקור הידיעה
