جدیدافشای راز چقرمه‌ترین ماده طبیعت!
صدف‌ها به‌نحوی کاملا طبیعی، ترکیب شگفت‌انگیزی از انعطاف پذیری و سختی را از خود نشان می‌دهند. جالب است بدانید کشف راز این پدیده، بیشتر از ۸۰ سال است که دانشمندان را در هاله‌ای از ابهام فرو برده است. بدیهی است که تقلید از خاصیت چقرمگی صدف‌ها، می‌تواند منجر به ایجاد نسل جدیدی از مواد مهندسی گردد. موادی که می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در سازه‌های ساختمانی، ایمپلنت‌های پزشکی و … داشته باشند.
3
دقیــقه مطالعه
چقرمگی چیست؟ (کاربرد، انواع، روش‌های اندازه‌گیری)
بیایید برای لحظاتی حادثۀ کشتی تایتانیک را با هم مرور کنیم. ماجرای کلی این است که...
دکتر رابرت هادن، استاد علم و مهندسی مواد در دانشگاه میشیگان در این باره می‌گوید:
«خود ما انسان‌ها هم می‌توانیم یک ماده‌ی ابرچقرمه ایجاد کنیم؛ البته با بهره‌گیری از محیط‌های غیر طبیعی! اخیرا توجه ما به این موضوع جلب شد که چرا ما نباید فناوری نانوی پیشرفته‌ای که در صدف‌ها به‌کار رفته‌است را تقلید کنیم. اشتباه نکنید! ما قرار نیست روش های دشوار و پرهزینه‌ی کلاسیک خود را کنار بگذاریم. ما در نظر داریم از ترکیب این دو روش، نسل جدیدی از مواد مهندسی را ایجاد کنیم که انقلابی در عرصه‌های کاربردی به وجود خواهند آورد. مقاله‌ای که ما منتشر کرده‌ایم تنها قدم کوچکی در این مسیر است.»
دانشمندان اصول اولیه‌ی راز چقرمگی خارق‌العاده‌ی صدف‌ها را سال‌هاست می‌دانند. ساختار این مواد متشکل از یک آرایه‌ی «آجر و ملات» مانند است، آجرهایی که از یک کانی کربناته به نام «آراگونایت» و ملات‌هایی از یک ماده‌ی اورگانیک تشکیل شده اند.
برای شفاف‌سازی بیشتر پدیده‌ی مرموز ابرچقرمگی، تیمی از دانشکده‌ی مهندسی و علم مواد دانشگاه میشیگان، به رهبری دکتر هادن و «جیسوک جیم» دانشجوی ارشد رشته‌ی ژئوشیمی از دانشگاه «مک کوئر» استرالیا، مشترکا در حال تلاش‌اند. جیسوک جیم در تصویر زیر در حال آنالیز سطحی صدف دیده می‌شود.
برای آنالیز دقیق صدف، این محققین از یک پروب میکرو پیزو الکتریک، در میکروسکوپ الکترونی روبشی تونلی (STEM) استفاده کرده اند. آن‌ها یافتند که آجرهای ساختار صدف، قرص‌هایی چند ضلعی هستند که ابعادی کمتر از چند صد نانومتر دارند. به طور معمول این قرص (آجر) ها در کنار ملات‌های اورگانیک، به صورت مجزا باقی می‌مانند. اما وقتی فشاری بر روی پوسته اعمال شود، این ملات‌های اورگانیک، ناگهان محو می‌شوند! آجرها به هم متصل می‌شوند و یک سطح یکپارچه‌ی جامد تشکیل می‌شود. زمانی که نیرو برداشته شود، ساختار به حالت قبل برمی‌گردد، بدون اینکه استحکام یا انعطاف‌پذیری صدف ذره‌ای کم شود.
این خاصیت ارتجاعی، از پیشرفته‌ترین مواد طراحی شده توسط انسان نیز خارق‌العاده‌تر است. برای مثال پلاستیک‌ها نیز پس از اعمال فشار، به حالت قبل برمی‌گردند؛ اما هربار مقداری از استحکام خود را از دست می‌دهند. جالب این‌جاست صدف‌ها، پس از اعمال نیروهای متوالی همچنان در حدود ۸۰ درصد استحکام اولیه را حفظ می‌کنند. حتی اگر هم ترکی در یکی از آجرهای این ساختار ایجاد شود، آن آجر اجازه‌ی انتشار ترک به بقیه‌ی ساختار را نمی‌دهد.
دکتر هادن خاطر نشان می‌کند:
بسیار عجیب است که مولکول‌های منحصر به فرد کربنات کلسیم، چنین آرایشی را در صدف‌ها به خود گرفته‌اند. آن‌ها با ورقه‌هایی نانولایه از طریق مواد ارگانیک به هم چسبیده‌اند. این مکانیزم می‌تواند منجر به ساخت نانوکامپوزیت‌هایی بسیار سبک و مستحکم برای کاربردهای مهندسی سطح شود. طبیعت میلیون‌ها سال است که این تکنولوژی را به ما هدیه داده است.» هر کدام از شکل‌های زیر از چپ به راست مراحل اعمال فشار به صدف را نشان می‌دهد.
مراحل اعمال فشار به صدف
پس از آنالیزهای مختلف مشخص شد که در مقیاس نانو، تغییر شکل الاستیکی غیر خطی در ساختار صدف مشاهده می‌شود. این گروه تحقیقاتی معتقدند همین موضوع، علت اصلی پدیده ابرچقرمگی صدف‌هاست. مقاله‌ی پژوهش حاضر، در نسخه‌ی ماه اکتبر مجله‌ی Nature به چاپ رسیده است.
Journal Reference:
Gim, J., Schnitzer, N., Otter, L. M., Cui, Y., Motreuil, S., Marin, F., … Hovden, R. (2019). Nanoscale deformation mechanics reveal resilience in nacre of Pinna nobilis shell. Nature Communications, 10(1). DOI:10.1038/s41467-019-12743-z
دیدگاه کاربران