تغطية شاملة

مواد خزفية جديدة تحاكي محار عرق اللؤلؤ

نجح علماء من وزارة الطاقة الأمريكية في محاكاة بنية عرق اللؤلؤ (عرق اللؤلؤ، وهو نوع من المحار الذي يتكون بداخله اللآلئ) لإنشاء ما قد يكون أصعب مادة خزفية تم إنتاجها على الإطلاق.

مادة هجينة (السيراميك والبوليمر) تحاكي خصائص قشرة اللؤلؤة. الصورة: جامعة بيركلي
مادة هجينة (السيراميك والبوليمر) تحاكي خصائص قشرة اللؤلؤة. الصورة: جامعة بيركلي

تعد المحاكاة الحيوية – الاختراعات التكنولوجية المستوحاة من الطبيعة – واحدة من أهم الأفكار في العلوم على الرغم من أنها لم تنتج بعد العديد من التطورات العملية. حان الوقت للتغيير - نجح علماء من وزارة الطاقة الأمريكية في محاكاة بنية عرق اللؤلؤ (محار عرق اللؤلؤ، وهو نوع من المحار يتكون داخله اللآلئ) لإنشاء ما قد يكون أصعب السيراميك المواد المنتجة من أي وقت مضى.

من خلال التجميد المتحكم فيه لمعلقات أكسيد الألومنيوم (الألومينا) في الماء وإضافة البوليمر المعروف، بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)، تمكن فريق من الباحثين من إنتاج مواد خزفية أقوى بثلاثمائة مرة من مكوناتها الفردية. ورئيس الفريق البحثي هو روبرت ريتشي من قسم الهندسة وعلوم المواد بجامعة كاليفورنيا في بيركلي.

يقول الباحث: "لقد قمنا بمحاكاة آليات التصلب الطبيعية لإنتاج هجينة من الألومينا تعتمد على قوالب الثلج للحصول على مادة صلبة ومتينة على مستوى سبائك الألومنيوم". "نعتقد أن هذه المواد النموذجية سيكون من الممكن استخدامها في تحديد الخصائص الهيكلية الرئيسية التي ستوجه أفكار التوليف المستقبلي لمواد هيكلية خفيفة الوزن وغير بيولوجية، مستوحاة من الطبيعة، ذات قوة وصلابة فريدة. "

عرق اللؤلؤ، أو عرق اللؤلؤ، وهو الجزء الداخلي من المحار والقواقع وبعض الرخويات الأخرى، معروف بجماله القزحي وصلابته الكبيرة. تتكون اللؤلؤة من خمسة وتسعين بالمائة من الأراغونيت، وهو معدن صلب ولكنه هش من كربونات الكالسيوم (CaCO3)، والباقي يتكون من مركبات عضوية ناعمة. ومع ذلك، فإن المحار نفسه يمكن أن يكون أكثر مقاومة للكسر بمقدار 3000 مرة (من حيث الطاقة) من الأراغونيت. ولا توجد مادة من صنع الإنسان تتفوق في أدائها، مقارنة بالمواد التي تصنعها، بمثل هذه الفجوة الكبيرة. وكانت المشكلة هي أن الصلابة الكبيرة للمحار تنبع من بنية معمارية تختلف على مدى أطوال تتراوح من نانومتر إلى ميكرومتر. لم تنجح الهندسة البشرية بعد في تكرار هذا الاختلاف في قياسات الطول.

ومع ذلك، منذ حوالي عامين، وجد الباحثون في مختبر بيركلي، تومسيا وسيز، طريقة لتحسين صلابة مكونات العظام باستخدام طريقة معالجة تتضمن تجميد مياه البحر. وأدت هذه الطريقة إلى الحصول على مواد خزفية أقوى بأربع مرات من العظام الاصطناعية. عندما تتجمد مياه البحر، تشكل بلورات الجليد نظام سقالات من طبقات رقيقة. وهذه الطبقات عبارة عن جليد نقي، لأنه أثناء تكوينها تتم إزالة الشوائب المختلفة، مثل الأملاح والكائنات الحية الدقيقة، واحتجازها في الفراغات بين الطبقات. الهيكل الناتج يشبه تقريبًا هيكل المحار.

وقال الباحث تومسيا: "بما أن مياه البحر قادرة على التجمد مثل المواد ذات الطبقات، فقد تركنا الطبيعة تقود العملية التي تمكنا من خلالها من صب المواد الخزفية في حالة تجميد والحصول على تقليد للمحار الطبيعي".

في هذه الدراسة الحديثة، قام الباحث ريتشي، إلى جانب العالمين الآخرين، بتحسين طريقة الصب بالتجميد وتطبيقها على مواد هجينة من الألومينا/PMMA للحصول على سقالات خزفية واسعة المسام تشبه إلى حد كبير الهياكل المجهرية للمحار الطبيعي.

ومن أجل النجاح في ذلك، استخدموا في البداية التجميد الموجه لتعزيز إنشاء طبقات رقيقة (صفائح) من الجليد والتي تم استخدامها كقوالب لإعداد سقالات الألومينا ذات الطبقات. بعد إزالة الجليد، تم ملء الفراغات بين طبقات الألومينا بالبوليمر.

ويشير الباحث إلى أن "تفسير صلابة المواد يكمن في قدرتها على تبديد طاقة الإجهاد". "إن ملء الفراغات بين طبقات الألومينا بالبوليمر يسمح لطبقات الألومينا الصلبة بالانزلاق فوق بعضها البعض، إلى حد صغير نسبيا، عندما يتم تطبيق ضغط خارجي عليها، وبالتالي تتمكن من تبديد طاقة الإجهاد. ويستخدم البوليمر كمادة تشحيم، على غرار الزيت الموجود في محركات السيارات".

بالإضافة إلى إنشاء السقالات متعددة الطبقات، تمكن الفريق أيضًا من إعداد هياكل تشبه المحار من الطوب والأسمنت تحتوي على نسبة عالية من الألومينا. لقد فعلوا ذلك عن طريق الصهر المتحكم فيه للسقالات في الاتجاه المتعامد مع الطبقات ثم عن طريق اللصق (التلبيد، عملية تسخين مادة عند درجة حرارة أقل قليلاً من نقطة الانصهار من أجل إنشاء كتلة صلبة واحدة) بطوب الألومينا في من أجل تعزيز ضغطها وإنشاء جسور خزفية بين الطوب الفردي.

"باستخدام هذه الطريقة، تمكنا من إنشاء هياكل معقدة يمكن فيها تعديل سمك الطبقات، والتحكم في اتجاهها العياني، وتغيير كيمياء وصلابة الواجهات البينية، والحصول على كثافة معينة من الجسور غير العضوية، كل ذلك في مجموعة واسعة من الأحجام."

ولتحضير مواد خزفية ذات صلابة أكبر في المستقبل، يقول الباحث إنه يجب على فريقه تحسين نسبة مادة السيراميك/البوليمر في تركيباتها. تحتوي المادة الهجينة من الألومينا/PMMA على حوالي خمسة وثمانين بالمائة من الألومينا فقط. ويهتم الباحثون بزيادة محتوى الألومينا بشكل أكبر وتقليل سمك الطبقات. إنهم يريدون أيضًا استبدال بوليمر PMMA ببوليمر أفضل وفي النهاية استبدال البوليمر بأكمله بالمعدن.

يقول الباحث الرئيسي: "إن البوليمر قادر فقط على المساعدة في انزلاق الطبقات فوق بعضها البعض ولا يأخذ جزءًا من جهد الطاقة. إن ملء الفراغات بين طبقات السيراميك سيوفر لنا مادة تشحيم يمكنها أيضًا تحمل جزء من الجهد نفسه. سيؤدي ذلك إلى تحسين قوة وصلابة المادة النهائية.

ويضيف الباحث أن هذه المواد المستقبلية ستكون خفيفة الوزن وقوية وصلبة ويمكن استخدامها في تطبيقات الطاقة والنقل.

الأخبار من مختبر بيركلي

تعليقات 14

  1. بتسلئيل:
    هل تقصد الذي خلق الأرنب ولم يكن يعلم أنه لا يسبب اجترارًا أم الذي جعل المحرقة ممكنة؟

  2. "أحيائي"
    هل تريد مني أن أنسخ تعليقك بين علامتي الاقتباس وأسأل بعده عما ينتمي إليه؟
    بالنسبة لي، لقد تحولت تماما إلى أسلوب الإرهاق ولا أجد مجالا للرد.

  3. مايكل - "أنت ببساطة تختار تعريف العلم من خلال التلاعب بالكلمات وليس كما هو.
    "التجربة بتعريفها هي شيء يشير إلى المستقبل، والعلم الذي يتعامل مع الماضي هو بتعريفه شيء يتعلق بالماضي." - لذا فإن ادعاء الأصل المشترك لا يمكن دحضه. النظرية ليست علمية .

    "لا يوجد تداخل بين الاثنين والشيء الوحيد الذي يمكن طلبه من النظرية العلمية فيما يتعلق بالماضي هو أن تتنبأ بالأشياء التي ستحدث في المستقبل." - التخطيط الذكي يتنبأ أيضًا بأشياء كثيرة تبين أنها ستكون. صحيح.‏ ومن ناحية اخرى،‏ تلقى التطور عددا من النبوءات التي تم دحضها.‏ هل تريد مثالا؟

    "نظرية أصل الأنواع هي هكذا وتتنبأ بأن الأنواع ستستمر في التطور (أثبتت بالتجربة)" - لم يتم التنبؤ مطلقًا بالتطور الكبير أو مجمع الجينات الجديد.

    أنه ستكون هناك تشكيلات وسيطة - أو كما يحلو لك تسميتها - حلقات مفقودة (أثبتت بالتجربة)" - التشكيلات الوسيطة هي الافتراضات المطلوبة.

    "أنه سيكون هناك تجانس بنيوي وأعضاء معينة ستتغير وظيفتها بين الأنواع المختلفة (أثبتت بالتجربة)" - كما أن التماثل والتماثل متوافقان مع التصميم الذكي، لأنه خالق واحد.

    "فليكن هناك عامل يحتوي على المعلومات الوراثية (المثبتة بالتجربة)،" - ما العلاقة بتطور التعقيد من البساطة؟

    "وبالتالي فإن نظرية التطور هي نظرية علمية - وهي أكثر النظريات العلمية التي تمت مناقشتها سابقًا." - التصميم الذكي هو أيضًا علمي.

    "إن الطريقة التي اقترحتها لدحض نظرية الخلق لا يمكنها أن تدحض أي شيء، ووظيفتها بأكملها هي خدمة النقص الأساسي في فهم مصطلح "النظرية العلمية". - إنها في الواقع قادرة على ذلك. لأن هذه هي الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها إثبات أن التعقيد لا يتطلب ذكاء.

    أنت تقدم لنا خالقًا كان موجودًا دائمًا. تلك التي كانت موجودة حتى قبل الانفجار الكبير. الشخص الذي هو في الواقع الله، لذا أقترح عليك أن تعترف بذلك أولاً.
    هذا ليس تفسيرا." - ما علاقة هذه الحجة بحجة أن الإنسان يحتاج إلى خالق؟

  4. "أحيائي"
    أنت ببساطة تختار تعريف العلم من خلال التلاعب بالألفاظ وليس كما هو.
    فالتجربة بحكم التعريف هي ما يشير إلى المستقبل، والعلم الذي يتعامل مع الماضي هو بحكم التعريف ما يتعامل مع الماضي.
    لا يوجد تداخل بين الاثنين والشيء الوحيد الذي يمكن أن يتطلبه النظرية العلمية فيما يتعلق بالماضي هو أن تتنبأ بالأشياء التي ستحدث في المستقبل.
    نظرية أصل الأنواع هي هكذا وتتنبأ بأن الأنواع سوف تستمر في التطور (مثبت تجريبيًا) أنه ستكون هناك تكوينات وسيطة - أو كما يحب الناس أن يسموها - حلقات مفقودة (مثبتة تجريبيًا) أنه سيكون هناك التجانس الهيكلي وبعض الأعضاء التي ستتغير وظيفتها بين الأنواع المختلفة (ثبت تجريبيا) أنه سيكون هناك عامل يحتوي على المعلومات الوراثية (ثبت في تجربة)، أن هذا العامل سيكون عرضة للطفرات العشوائية (ثبت في تجربة) والمزيد والمزيد (آمل أنك لا تزال تفهم ولكنني متأكد من أنك لن تعترف بذلك).
    لذلك، فإن نظرية التطور هي نظرية علمية، وهي أكثر النظرية العلمية التي يمكن أن تكون عليها النظرية التي تمت مناقشتها سابقًا.

    وفيما يتعلق ببور - أخبرني: كيف تعرف التعقيد؟ لماذا تتحدث فقط عن الأنظمة البيولوجية؟ أكرر - الطريقة التي اقترحتها لدحض نظرية الخلق لا يمكنها أن تدحض أي شيء، ووظيفتها بأكملها هي خدمة النقص الأساسي في فهم مصطلح "النظرية العلمية".

    أنت تقدم لنا خالقًا كان موجودًا دائمًا. تلك التي كانت موجودة حتى قبل الانفجار الكبير. الشخص الذي هو في الواقع الله، لذا أقترح عليك أن تعترف بذلك أولاً.
    هذا ليس تفسيرا لذلك.
    يجب أن يوضح التفسير ما لم يتم فهمه باستخدام ما تم فهمه. ليس من خلال شيء غير مفهوم وبالتأكيد ليس من خلال نفسه.
    إذا كنت تدعي، لشرح أصل الحياة، أن الحياة (وحتى الحياة الأكثر تعقيدًا!) كانت موجودة دائمًا، فأنت ببساطة تتجاهل السؤال.
    لقد قلتها من قبل لذا ها أنا أقولها مرة أخرى.

  5. مايكل - إن استحالة دحض النظريات التي تناقش الماضي مدمجة في معنى كلمة "الماضي"، وإذا كان بعض الخلقيين على استعداد لرؤية شيء ما على أنه دحض للخلقية، فهذا يظهر فقط جانبًا آخر من عدم منطقيته." - ثم التطور لا يمكن دحضه، فهو ليس علمياً، وقد قدم ديمباسكي الاختبار.

    هل تعتقد حقًا أن إمكانية خلق الشيء بشكل طبيعي ينفي إمكانية خلقه بشكل مصطنع؟
    ألم ترَ في حياتك حفرة في الأرض؟" - لم أكن أتحدث عن حفرة بل عن أنظمة بيولوجية معقدة

    "إن ما يدحض خلقنا هو المنطق البسيط:
    إذا كان الكائن الذكي ضروريًا لخلق الحياة، فإن مثل هذا الوجود ضروري أيضًا لخلق الخالق." - فقط إذا كان للخالق نفسه بداية. هل يمكنك إثبات ذلك؟

    إنها - كما سمعتم ألف مرة على الأرجح - نظرية لا تفسر شيئًا.
    لأنه حتى بعد سماع ذلك عدة مرات، فإنك لا تفهم الأمر، فلا فائدة من الجدال معك" - إذن ليس لديك إجابة على سؤالي.

  6. "أحيائي"
    ليس لدي أي نية للتخلي عن المنطق لصالح تصريحات لا أساس لها من الصحة.
    كما أنه لا يمكن إثبات أننا كنا هنا منذ ثانية، وأننا لم نخلق الآن بمجموعة الذكريات المزروعة في أذهاننا مع عالم كامل يطابقها.
    أسمح لك بتبني هذه الفرضية أيضًا.
    إن استحالة دحض النظريات التي تناقش الماضي مدمجة في معنى كلمة "الماضي"، وإذا كان أي خلقي على استعداد لرؤية شيء ما على أنه دحض للخلقية، فإن هذا يظهر فقط جانبًا آخر من افتقاره إلى المنطق.
    هل تعتقد حقًا أن إمكانية خلق الشيء بشكل طبيعي ينفي إمكانية خلقه بشكل مصطنع؟
    هل سبق لك أن رأيت حفرة في الأرض؟
    أنت فقط تقدم هذا الادعاء الغريب لإقناعنا بأن نظرية الخلق هي علم.
    توقف عن الهراء.
    ما يدحض خلقنا هو المنطق البسيط:
    إذا كان الكائن العاقل ضروريًا لخلق الحياة، فإن مثل هذا الوجود ضروري أيضًا لخلق الخالق. إنها - كما سمعتم ألف مرة على الأرجح - نظرية لا تفسر شيئًا.
    وبما أنك لا تفهم الأمر حتى بعد سماعه عدة مرات، فلا فائدة من الجدال معك.

  7. بالنسبة لمايكل - لا يمكن دحض ادعاء الأصل المشترك مثلا، وذلك لأنه لا يمكن تطبيق اختبار لذلك في المختبر، وبحسب ديمبسكي (أحد مؤسسي التصميم الذكي) فإن الدحض سيكون الاختبار للتصميم الذكي إذا نجحوا في إظهار أن الأنظمة البيولوجية المعقدة يمكن أن تنشأ دون عامل مقصود. خذ الشوتون على سبيل المثال البكتيرية - يمكن تبسيطها إلى الحد الأدنى - ذيل العصا + آلية عملها عمل + مفصل + حامل العصا. من جميع مقالات أنصار التطور، لم أر كيف تم تسوية تطور محتمل لهذه الآلية. لقد وجدوا فقط نظامًا له تماثل معين (إفراز النوع 3) ليس له أي علاقة مع الحركة.المزيد الآلية هي، على سبيل المثال، مسار لتحويل ATP إلى ADP، والذي يتضمن العديد من الخطوات الضرورية.

  8. "أحيائي"
    وجميع المؤمنين، أينما كانوا، يرون في كل حقيقة تعزيزًا لدعواهم.
    وهذا هو جوهر الإيمان.
    وهذا بالطبع يتناقض تمامًا مع المنهج العلمي الذي يعرف أيضًا كيفية استبعاد النظريات المبنية على نتائج التجربة.

  9. جملة يمكن أن تعزز منهج التصميم الذكي - "لا توجد مادة من صنع الإنسان تتجاوز أدائها، بالنسبة للمواد التي تتكون منها، بمثل هذه الفجوة الكبيرة. وكانت المشكلة أن الصلابة الكبيرة للمحار تنبع من هندسة معمارية" بناء"

  10. أنا أنتظر بالفعل دخول هذه المواد الخزفية الجديدة في الإنتاج الضخم، وتصبح أرخص ومن ثم أتمكن من إصلاح أسناني بتكلفة زهيدة. 😉

  11. المواد البلاستيكية المستخدمة هي المادة الأولية للإنتاج
    البرسبيكس، أعتقد أنه إذا استخدموا نفس التقنية في المواد
    مواد بلاستيكية أخرى (أكثر تقدمًا؟) - من الممكن الوصول إليها
    للحصول على نتائج أفضل بكثير.

  12. إنجاز مثير للإعجاب،
    الخيال العلمي يتجسد مرة أخرى في الحياة الحقيقية؟
    في كتاب "باز ونيالا" الممتاز تم وصف الهياكل المبنية على بنية المحار.

  13. لقد صادفت عبارة "المحاكاة الحيوية" عدة مرات على هذا الموقع.
    في رأيي يجب أن يطلق عليها اسم المحاكاة الحيوية لأن أصل الجزء الثاني من الكلمة هو كلمة Mime والتي تعني "التقليد"

ترك الرد

لن يتم نشر البريد الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها *

يستخدم هذا الموقع Akismat لمنع الرسائل غير المرغوب فيها. انقر هنا لمعرفة كيفية معالجة بيانات الرد الخاصة بك.