يستمد علماء معهد وايزمان للعلوم الإلهام من الطبيعة في تطوير مواد جديدة من أجل مستقبل أكثر اخضرارًا
إن الجنس البشري ليس الوحيد الذي يهتم بمسائل الاستدامة - فالطبيعة أيضًا "تتأمل" في هذا الأمر، ولكي نكون صادقين، فقد وجدت حلولاً أنيقة إلى حد ما قبل ملايين السنين من أن نبدأ في الشك في وجود مشكلة على الإطلاق. في دراسة جديدةأظهر علماء معهد وايزمان للعلوم كيف يمكن للتصميم الطبيعي واستراتيجيات البناء للمخلوقات القديمة مثل العقارب والإسفنج البحري أن تحسن من متانة المواد التي يصنعها الإنسان وتمهد الطريق لمستقبل أكثر خضرة.
يقول البروفيسور: "أود تعريف الاستدامة على أنها تلبية احتياجات الحاضر، دون الإضرار بموارد الأجيال القادمة". دانيال فاغنر من قسم الكيمياء الجزيئية وعلوم المواد في المعهد الذي يقوم بالبحث في الخواص الميكانيكية للمواد الطبيعية لعدة عقود. "لقد تشكلت المواد الموجودة في الطبيعة وتطورت على مدى ملايين السنين في بيئات تتميز بموارد محدودة وظروف صعبة. ولذلك، فمن المؤكد أن نقول إن الهياكل البيولوجية من حولنا - من النباتات إلى الهياكل العظمية لمختلف الكائنات - هي بحكم تعريفها "أخضر" أو "مستدام".
يعد انتقال البشرية إلى المواد المستدامة أحد مفاتيح تأمين مستقبلنا على الأرض، حيث تتمتع هذه المواد بالقدرة على تقليل تراكم النفايات في عالمنا واستهلاك الطاقة. ومع ذلك، في عالم التخطيط، فإن أي محاولة للترويج لخاصية مرغوبة لمادة ما، تؤدي عادةً إلى التنازل عن إحدى خصائصها الأخرى؛ وبالتالي، على سبيل المثال، فإن التحسن في صلابة (أو مقاومة الكسر) للمادة عادة ما يؤدي إلى زيادة في الوزن أو انخفاض في القوة، والعكس صحيح. "من ناحية أخرى، تجد الطبيعة حلولاً مذهلة لتحقيق التوازن بين جميع الخصائص المرغوبة، والمواد العضوية تعرف كيف تظهر الصلابة والمتانة إلى جانب القوة والخفة"، كما يقول الدكتور إسرائيل جرينفيلد، الذي كان مهندس طيران لسنوات وجاء إلى مجموعة البروفيسور فاغنر البحثية تستمد الإلهام الهندسي من الطبيعة.
وفي الدراسة الجديدة، قام البروفيسور فاغنر والدكتور غرينفيلد بدراسة مادتين مركبتين طبيعيتين وقاسيتين للغاية: الهيكل الخارجي للعقرب والهيكل العظمي الداخلي للإسفنج البحري، واكتشف العلماء أن سر متانتهما يأتي من الطبقات المتعددة هيكل يتضمن تغييرًا تدريجيًا في الخصائص بين الطبقات - وهي استراتيجية لا تُستخدم أبدًا تقريبًا في إنتاج المواد الاصطناعية، وفي كلا المخلوقين، كل طبقة لها سمك مختلف - وفي الهيكل العظمي للعقرب، الذي يتكون من أقل من ثمانية مستويات هيكلية مختلفة، الطبقات الداخلية أكثر مرونة من الطبقات الخارجية.
وأظهر الباحثون أنه في كل من الإسفنج والعقارب، يسمح ترتيب الطبقات بتوليد السمات التي تعتبر متضادة، مثل الصلابة والقوة، في طية واحدة ومساعدة الإسفنج والعقارب على مواجهة التحديات المختلفة التي يواجهونها. واستندت النتائج في العقارب على عمل الدكتور إسرائيل كيليرشتاين، طالب دكتوراه سابق في مجموعة البروفيسور فاغنر.
انحراف الكسر
التصميم متعدد الطبقات لا يجعل الهياكل العظمية للعقارب والإسفنج أقوى فحسب، بل إنها أيضًا مقاومة للغاية للتشققات. وعلى الرغم من وجود اختلافات في البنية والتركيب الكيميائي للهياكل العظمية، فقد وجد الباحثون نفس المبدأ الشامل في كلا المخلوقين: استراتيجية تحويل الكسر. بمجرد اكتشاف أول إشارة إلى وجود صدع في الهيكل العظمي، فإن الهيكل المتدرج "يشجع" الشق على تغيير مساره بحيث ينتشر على السطح، بدلاً من اختراقه إلى الداخل والتسبب في أضرار هيكلية واسعة النطاق وحتى الانهيار.
لفهم كيفية عمل مبدأ التصنيف بعمق، استخدم الباحثون نموذجًا موجودًا في ميكانيكا الكسر، وهو مجال بحثي يتعامل مع الطريقة التي تنكسر بها الأشياء. أظهر النموذج أنه بدون التصنيف، سيتعين على كل من العقرب والإسفنج استخدام استراتيجيات أكثر "إسرافًا" - على سبيل المثال، استخدام المزيد من المواد - لتحقيق نفس المستوى من الحماية.
لكن الباحثين لم يتوقفوا عند الوصف الموجود، وأظهروا أيضًا أنه يمكن استخدام هذه الاستراتيجيات بطرق لم تكتشفها الطبيعة بعد. يقول الدكتور غرينفيلد: «باستخدام النموذج، تمكنا من اللعب بترتيب الطبقات بطرق لم يفكر بها العقرب والإسفنجة بعد».
يمثل استيراد المبادئ الطبيعية مثل تصنيف الطبقات إلى عالم التصميم والهندسة تحديًا كبيرًا. يقول الباحثون: "هذا نوع من التخطيط مبتكر على جميع المستويات. تبدأ الهياكل البيولوجية "من الأسفل" - من وحدات البناء النانومترية التي تتصل بالهياكل المجهرية، ثم إلى الهياكل الأكبر والأكثر تعقيدًا - بينما في الهندسة ليس من المعتاد البدء في البناء على المستوى الجزيئي." ولكن في حين أن هيكل الهيكل العظمي للعقرب معقد بشكل خاص، فإن الهياكل المجهرية الطبيعية الأخرى، بما في ذلك الهيكل العظمي الإسفنجي، أبسط ومن الممكن أن يتم تطبيق مبادئها في هندسة المواد بسهولة أكبر.
إلى جانب الطبقات، يكون الهيكل الإسفنجي أيضًا أكثر مقاومة للتشقق عن طريق خلط المواد الهشة والهشة مع مواد أكثر ليونة. يقول البروفيسور فاغنر: "إنها مادة خزفية مصنوعة في الواقع من السيليكا، وليست بالضبط المادة التي تتوقع أن تظهر مقاومة كبيرة للكسر".
إن الفهم الأفضل للاستراتيجيات المستخدمة في الطبيعة يمكن أن يساعد المهندسين على تطوير مواد أكثر صلابة وأكثر متانة - والتي يمكن استخدامها في العديد من المجالات، من البناء إلى صناعة الطيران. ويخلص الدكتور غرينفيلد إلى أن "الكائنات الحية لديها العديد من الاستراتيجيات للتعامل مع القوى الخارجية بطريقة تستهلك أقل قدر ممكن من الطاقة، وهذا هو بالضبط السبب الذي يجعلنا نتعلم الكثير من الطبيعة، عندما يتعلق الأمر بتطوير القدرة على التحمل والمواد المستدامة."
المزيد عن هذا الموضوع على موقع العلوم
