المادة التي تسمى أم اللؤلؤ أقوى بثلاثة آلاف مرة من السيراميك، وتتكون من كربونات الكالسيوم في بنية بارعة، مرتبة في أجزاء صغيرة في نطاق النانو. تمنح هذه الأجزاء الهيكل متانته ويتم فصلها عن بعضها البعض بواسطة طبقة بوليمرية حيوية مرنة، مما يمنح المادة مرونتها ومتانتها المميزة.
بقلم: دافنا حاييم لانجفورد
هل تعرف بالتأكيد الطبقة الملونة والمتوهجة التي تغطي الجزء الداخلي من المحار؟ هل تساءلت عن سبب وجودها هناك غير تصميم منزل المحار الذي كانت تعيش فيه؟
يُطلق على هذا الطلاء اسم عرق اللؤلؤ (أو دير) ويوجد في أصداف أنواع مختلفة من الرخويات، وهو المسؤول عن قوة الصدفة ومتانتها. المادة التي تسمى أم اللؤلؤ أقوى بثلاثة آلاف مرة من السيراميك، وتتكون من كربونات الكالسيوم في بنية بارعة، مرتبة في أجزاء صغيرة في نطاق النانو. تمنح هذه الأجزاء الهيكل متانته ويتم فصلها عن بعضها البعض بواسطة طبقة بوليمرية حيوية مرنة، مما يمنح المادة مرونتها ومتانتها المميزة.
في دراسة حديثة نشرت في مجلة Nature Communications، وصف علماء من جامعة ماكجيل في كندا كيف أدت محاكاة هيكل عرق اللؤلؤ إلى تطوير زجاج أقوى.
السر وراء قوة بنية عرق اللؤلؤ يكمن في ضعفها. في الطبيعة، تتكون المواد المعمرة والقوية، كالأسنان مثلاً، من عناصر قوية جداً، لها بنية قوية ولكن بينها نقاط ضعف. إن القدرة على توجيه الكسر، باستخدام نقاط إطلاق ضعيفة، أمر بالغ الأهمية لأداء المادة، وهذا الوضع ممكن فقط عندما تكون الواجهات أضعف من كتل البناء نفسها.
وفي محاولات سابقة، حاولوا تقليد بنية عرق اللؤلؤ من خلال ربط هياكل مجهرية قوية، عن طريق نقاط انطلاق ضعيفة. قرر العلماء من جامعة ماكجيل تجربة العكس: فبدلاً من البدء من اللبنات الأساسية، قاموا بإنشاء نقاط مياه ضعيفة في وحدة زجاجية كاملة، وذلك باستخدام معرفة إنشاء شقوق "صغيرة" يمكن التحكم فيها باستخدام ليزر الأشعة فوق البنفسجية.
ومن خلال إحداث شقوق "صغيرة" في الزجاج، حدد العلماء مسبقًا اتجاه الكسر الذي سيتشكل في الزجاج تحت الضغط. ووجدوا أيضًا أن تكوين الشقوق له أيضًا أهمية في إضفاء القوة، وأن إنشاء شقوق صغيرة غير مستقيمة يزيد من قوة الزجاج 100 مرة.
على الرغم من أن إنشاء شقوق صغيرة في الزجاج يبدو غير بديهي كجزء من الجهود المبذولة لتقويته، إلا أن الشقوق تسمح للزجاج بالالتواء، مما يمنع الشقوق من التقدم إلى نقطة الانهيار. في هذه الدراسة، أثبت العلماء أنه يمكن تقوية الزجاج والمواد الأخرى عن طريق إنشاء أنماط من الشقوق الصغيرة، والخطوة التالية هي تقوية المواد الأخرى ليس عن طريق إضافة مواد، ولكن عن طريق إنشاء نقاط ضعف.
لقد رأينا سابقاً ضعف التقوية في بنية شبكة العنكبوت (ليس في قوة الألياف ولكن في بنية الشبكة التي توفر المقاومة من خلال نقاط الانكسار المحددة) وكذلك في البنية السداسية لقنبلة السلحفاة. قذيفة، مما أدى إلى خفض كمية المواد عند نقاط الإطلاق مما أدى إلى زيادة في قوة القشرة وكان مصدر إلهام لهيكل السيارة وحتى الغسالات.
תגובה אחת
هذا يذكرني بنكتة شركة طيران كبيرة حاولت تطوير طائرة جديدة، ولكن لسبب ما، في كل رحلة تجريبية تقريبًا في مرحلة ما، تمزق الأجنحة فجأة من نقطة الاتصال بجسم الطائرة وتحطمت الطائرة.
وبعد أن يئسوا من إيجاد حل، قرروا نشر إعلان يعرضون فيه مكافأة قدرها مليون دولار لمن يجد حلاً للمشكلة. وبعد عدة أسابيع جربوا فيها الحلول المختلفة التي عرضت عليهم ولم ينجح أي منها، اقترب منهم مهندس إسرائيلي واقترح عليهم: "اسمعوا، اصنعوا ثقوبًا عبر الجناح عند النقطة التي ينفصل فيها الجناحان عن الجسم، هذا سيحل". مشكلتك."
بدا الحل غير منطقي بالنسبة لهم ولكن بسبب اليأس قرروا تجربة اقتراحه على أي حال، ومن المدهش منذ تلك اللحظة أن الأجنحة توقفت عن السقوط!
وعادوا متفاجئين إلى نفس المهندس وسألوه "كيف عرفت أن الثقوب الموجودة في الأجنحة ستحل المشكلة؟"، فأجابهم: "ببساطة شديدة، هنا في إسرائيل ورق التواليت لا يتمزق أبدًا في مكان الثقوب، لذلك لقد تصورت أن الأمر سينجح هنا أيضًا."
؟؟؟؟