أنشأ الباحثون شبكات ثنائية الأبعاد من ألياف بوليمرية دقيقة، والتي تغير شكلها حسب درجة الحرارة
اكتشف باحثون من جامعة تل أبيب لأول مرة سلسلة من الخصائص الفيزيائية الموجودة في شبكات ألياف الميكا والبوليمر، أولها خاصية "ذاكرة الشكل". تفتح هذه الاكتشافات الباب أمام مجموعة متنوعة من التطبيقات التكنولوجية والبيولوجية، من هندسة الأنسجة إلى الروبوتات.
"في البحث، أنتجنا شبكات ثنائية الأبعاد من ألياف بوليمرية دقيقة، والتي تغير شكلها حسب درجة الحرارة." يشرح الدكتور أميت سيت من مدرسة الكيمياء. "لقد اكتشفنا لأول مرة أن الشبكات لديها ميزة ذاكرة الشكل - وهي ميزة مثيرة للدهشة بشكل خاص لم نكن نعرف عنها شيئًا. عند التبريد، تنتفخ الشباك ويمكن أن تغير شكلها الأصلي، ولكننا أدركنا أنه بعد تسخين الشباك، فإنها تكون قادرة على استعادة الشكل الأصلي الذي كانت عليه قبل التسخين. يقدم هذا المبدأ، الذي تم إثباته على أنواع مختلفة من الشبكات، طريقة جديدة للتحكم في تغير شكل المواد، ومن الواضح أنه حتى التغييرات الطفيفة في بنية الألياف تترجم إلى تغيير جذري في السلوك العياني للشبكات. "
تعتمد الشبكات ثنائية الأبعاد التي تم تطويرها وإنتاجها في مختبر الدكتور سيت على بوليمر يسمى PNIPAAm، ويتم "طباعتها" في عملية تعرف باسم الغزل الجاف. في هذه العملية، يتم تمديد الألياف من محلول البوليمر السائل، وفي هذه العملية تتصلب بسرعة وتصبح صلبة، مع التبخر السريع للمذيب مما يترك البوليمر كألياف رقيقة. تتيح هذه الطريقة إنشاء ألياف يبلغ قطرها جزءًا من مائة من سمك الشعرة، بالإضافة إلى تنظيمها بطريقة منظمة في الفضاء، على غرار الطباعة ثلاثية الأبعاد.
البحث قاده الدكتور سيت وطالبة الدكتوراه شيران زيف شهرباني من كلية الكيمياء في كلية ريموند وبيرلي ساكلر للعلوم الدقيقة، وتم نشره في الصحيفة المرموقة مواد وظيفية متقدمة.
ويضيف الدكتور سيت: "إن إحدى الطرق الرئيسية التي تخلق بها الأنظمة البيولوجية الحركة وتولد القوى هي من خلال شبكات هرمية تتكون من ألياف رفيعة وصغيرة، ويمكن أن تغير شكلها وحجمها اعتمادًا على التحفيز الخارجي. توجد مثل هذه الشبكات على مستوى الخلية الفردية، وتشارك في مجموعة متنوعة من العمليات الخلوية والجسدية. على سبيل المثال، تعتمد عضلات جسم الإنسان على شبكات من الألياف البروتينية، التي تنقبض وتسترخي بعد تحفيز العصب. لقد تمكنا من إظهار أن تغيير شكل الشبكات ثنائية الأبعاد المكونة من ألياف البوليمر المستجيبة للحرارة يتم التحكم فيه من خلال الخصائص الفيزيائية لكل ليف. من خلال تغيير هذه الظروف، تميل الشبكات إلى إظهار أحد مساري السلوك عند التبريد - في مسار واحد تظل الألياف مستقيمة، وتحافظ الشبكة على شكلها المنظم، وفي المسار الآخر تنحني الألياف، وتصبح الشبكة فوضوية تمامًا مثل معكرونة. والجميل في الأمر هو أن ميزة ذاكرة الشكل موجودة في كلا المسارين السلوكيين، وعند تسخين الشبكة تعود إلى تكوينها الأصلي."
النموذج الحسابي للينابيع والشبكات
النتائج المثيرة للاهتمام التي شاهدها الدكتور سيت وفريقه، تم شرحها باستخدام نموذج حسابي بسيط. تتوسع طالبة الدكتوراه شيران زيف شهرباني في هذا الموضوع: "يعتمد نموذجنا النظري على فهم أساسي للأنظمة الربيعية، وهي أنظمة كلاسيكية ومعروفة. لقد تمكنا من وصف مساري السلوك اللذين لاحظناهما في المختبر عن طريق تغيير المعلمات في نظام الزنبرك، وساعدنا النموذج على إظهار بشكل لا لبس فيه أن مجموعة متنوعة من العوامل الهندسية، بشكل رئيسي قطر الألياف ولكن أيضًا كثافة الشبكة بأكملها ، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالخصائص العيانية للشبكة."
ويضيف الدكتور سيت: «مع تطبيقات شبكات البوليمر، من الممكن الإبحار إلى عوالم الخيال العلمي، ولكن على المستوى العملي وفي المستقبل القريب نخطط لاستخدام الشبكات لإنتاج الأقمشة والثلاثية. هياكل الأبعاد التي من شأنها أن تغير شكلها بدقة ميكرون، بطريقة سيتم برمجتها كجزء من بنية المادة نفسها. وفي الوقت نفسه، نعمل على استخدام شبكات متغيرة الشكل لتطوير عضلات صناعية صغيرة يمكنها تغيير تركيز العدسات اللينة، وفصل الجسيمات النانوية والصغرى، وتحريك ملقط صغير من أجل أخذ خزعة من الفرد. الخلايا."
يلخص زيف شعررابي ويقول: "من خلال الأفكار المستفادة من بحثنا، من الممكن تحليل واستنتاج الأدوات المطلوبة لمثل هذه التطورات. واستمر البحث على مدى ثلاث سنوات، وشارك فيه أيضًا البروفيسور إيلي فليكسر من كلية أفكا الأكاديمية للهندسة في تل أبيب، بالإضافة إلى طلاب وطلبة بحث وحتى طالب في المدرسة الثانوية. ومما لا شك فيه أن المعرفة التي اكتسبناها خلال هذه الدورة هي معرفة مبتكرة ولها إمكانات تكنولوجية كبيرة."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
