تمكن فريق بحث دولي بقيادة باحثين من التخنيون من فك عملية تشكل "العدسات المحجوبة" في بيئة تحت الماء
اكتشفت مجموعة بحث دولية، بقيادة البروفيسور بيز بوكروي وباحثين من كلية علوم وهندسة المواد في التخنيون، كيف ينتج قنفذ البحر Ophiocoma wendtii مواد مشابهة للزجاج المقسى، في ظل الظروف السائدة تحت الماء. ومن المتوقع أن تؤدي النتائج، التي نشرت في مجلة ساينس العلمية، إلى تطوير طرق جديدة لإنتاج مواد خزفية قوية لمجموعة متنوعة من الاستخدامات.
وكشف الباحثون عن آلية الدفاع الفريدة للعدسات شديدة التحمل الموجودة على أذرع Ophiocoma wendtii، وهو قنفذ بحري يعيش في الشعاب المرجانية تحت الماء. تتطور مئات العدسات التي تركز على الضوء على أذرع هذا الكائن في عملية قد تساعد في تطوير مواد خزفية متينة. العدسات المصنوعة من الطباشير قوية ودقيقة، وقد شغلت عملية فك رموز بنيتها البلورية والنانومترية البروفيسور بيز بوكروي ومجموعته البحثية في التخنيون على مدى السنوات الثلاث الماضية.
يدرس البروفيسور بوكروي المواد التي أنشأتها الكائنات الحية وينتج مواد اصطناعية مماثلة باستخدام أساليب مستوحاة من الطبيعة. تعتبر الأصداف واللؤلؤ والعظام وأصداف السلحفاة أمثلة على المعادن الحيوية - المعادن التي يفرزها الكائن الحي نفسه.
يقول البروفيسور بوكروي: "الأمر المثير للإعجاب فيما يتعلق بالمعادن الحيوية هو أنها مصنوعة من مواد متاحة للكائن الحي، كالطباشير على سبيل المثال". "لن يختار المهندسون الطباشير أبدًا كمادة بناء متينة، لكن الطبيعة تفعل ذلك بنجاح من خلال استراتيجيات مختلفة للتقوية والتصلب. علاوة على ذلك، تقوم هذه الحيوانات بإنتاج المعادن الحيوية ضمن الشروط الطبيعية، بدون أفران وأجهزة ضغط تستخدم في المختبرات. لذلك، من الواضح أننا، كعلماء ومهندسين، لدينا الكثير لنتعلمه من هذه العمليات".
في عام 2001، نشرت مجلة Nature مقالاً للبروفيسور جوانا أيزنبرغ (التي أصبحت فيما بعد المشرف على البروفيسور بوكروي في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة هارفارد)، والذي كان فيه أول وصف للنظام البصري المتطور لقنفذ البحر - Ophiocoma wendtii، مصنوعة من عدسات مجهرية مصنوعة من مادة تسمى الكالسيت. تقوم هذه العدسات بتركيز ضوء الشمس وتسليطه على المراكز العصبية التي تنقل المعلومات إلى بقية الجسم من خلال الجهاز العصبي.
يقول البروفيسور بوكروي: "يتم إنتاج عدسات Ophiocoma wendtii في البحر المفتوح، وليس في المختبر، وفي الواقع اكتشفنا استراتيجية لتقوية المادة الهشة وزيادة مقاومتها، في ظل الظروف الطبيعية". "إن الأمر يتعلق بـ "هندسة البلورات" والحجب بدون تسخين وبدون ضغط - وهي عملية قد تكون فعالة جدًا في علم وهندسة المواد."
للمقارنة، يتم إنتاج الزجاج المقسى والخرسانة المضغوطة عن طريق جهود الضغط - وهي قوى تضغط المادة وتتركها في حالة أكثر ضغطًا من حالتها الطبيعية. على سبيل المثال، يتم إجراء حجب الزجاج عن طريق تسخين المادة وتبريدها بسرعة. في هذه العملية، يبرد الجزء الخارجي من المادة بشكل أسرع من الجزء الداخلي، وبالتالي يتم ضغطها.
اكتشف باحثو التخنيون أن الخطوة الحاسمة في إنتاج عدسة Ophiocoma wendtii هي الانتقال من المرحلة غير المتبلورة - المرحلة بين السائل والصلب - إلى المرحلة البلورية. في هذه المرحلة يتم تمييز جزيئات الكالسيت النانوية الغنية بالمغنيسيوم والتي تتميز بكثافة أعلى على المستوى الذري عن المادة بأكملها. الفرق بين تركيزات المغنيسيوم في جزيئات الكالسيت المختلفة يخلق درجات مختلفة من الصعوبة والكثافة والضغط في مناطق مختلفة من المادة. تضغط الجزيئات الغنية بالمغنيسيوم على الجزء الداخلي للعدسة أثناء عملية التبلور، وبالتالي "تمنعها" وتتحول إلى مادة بلورية شفافة وصلبة للغاية.
"تُظهر الطبيعة إبداعًا كبيرًا في تحسين قدرات الكائن الحي في سياقات مختلفة مثل القوة والاستشعار والدفاع عن النفس، وهنا نرى كفاءة كبيرة في الاستخدام الذي تصنعه Ophiocoma wendtii من المواد الخام المتاحة وتنتجها، في ظل ظروف معينة يقول البروفيسور بوكروي: "عدسات قوية ودقيقة للغاية".
سيتمكن العلماء والمهندسون الآن من تسخير الإستراتيجية المكتشفة في البحث لصالح تصلب وحجب المواد الخزفية الاصطناعية المستخدمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات - من العدسات البصرية إلى المحركات التوربينية والمزروعات الطبية الحيوية.
تم فك رموز عملية تكوين عدسات الكالسيت من خلال سلسلة طويلة من التجارب في منشآت مختلفة، بما في ذلك معجل الجسيمات في غرونوبل (فرنسا) ومجهر "تيتان" في التخنيون. وأجرى التحليل الميكانيكي (التحليلي والتجريبي) البروفيسور نيكولا بوجنو من جامعة ترينتو في إيطاليا وجامعة كوين ماري في لندن ومؤسسة إدواردو أملدي في وكالة الفضاء الإيطالية. البروفيسور بوكروي و9 باحثين آخرين من التخنيون هم شركاء في المقال: د. إيرينا بوليشوك، أبيجيل براخا، يائيل إيتنغر-جيلر، ستاس كوزشيفيتش، د. أليكس كاتزمان، د. يارون كوفمان، د. ديفيد ليفي ويونيد بلوخ. الشركاء في الخارج هم البروفيسور بوبا جيلبرت من جامعة ويسكونسن ماديسون، والدكتور جوردون كيلر من متحف الطبيعة في مقاطعة لوس أنجلوس، والبروفيسور نيكولا بوجنو، والدكتور بول زاسلانسكي من مستشفى شاريتيه في برلين وعلماء من مسرع الجسيمات. في غرونوبل. تم إجراء البحث بدعم من معهد راسل بيري لأبحاث تكنولوجيا النانو في التخنيون وزمالة ألون ومجلس الأبحاث الأوروبي.
