جزیره دانش- شیمی و علم مواد
چند سازه‌ها: پایه‌ی معماری طبیعت

حذف تصاویر و رنگ‌ها  | تاریخ ارسال: ۱۳۸۴/۱۲/۲۵ |  نویسنده: آقاي حسن سالاری | 

چگونه می‌توان موادی را که سست و شکننده‌اند به موادی سخت و نیرومند دگرگونه کرد؟ با گزینش آمیزه‌ای درست از فلزها، رشته‌ها، پلاستیک و سرامیک می‌توانید به ماده‌ی مورد نظر خود دست پیدا کنید. دانشمندان علم مواد این مخلوط را چندسازه(composite) می‌نامند. ما نه تنها در جهان چندسازه زندگی می‌کنیم، بلکه خود نیز به گونه‌ای چندسازه هستیم. گیاهان، جانوران و حشره‌هایی که پیرامون ما زندگی می‌کنند نیز چندسازه‌ هستند. دانشمندان تلاش می‌کنند با الگوبرداری از چندسازه‌های طبیعی، چندسازه‌هایی بسازند که با طبیعت سازگارتر باشند.

بین یک راکت تنیس بسیار سبک و یک فضاپیما چه ارتباطی وجود دارد؟ پاسخ این است که هر دو فراورده‌ی فن‌آوری دیرینه‌ای هستند که پیشینه‌ی آن به زمان تمدن‌های باستانی بازمی‌گردد. بیش از 2 هزار سال پیش، معماران باستان کشف کردند که می توان با افزودن کاه به گل رس، آجرهای سخت و پایداری به دست آورد. این شیوه‌ی معماری در ایران، میان‌رودان و مصر بسیار به کار گرفته شد. در سده‌های میانه(قرون وسطی) معماران اروپایی دیوارها را با روکشی می‌پوشاندند که از گل و مو تشکیل شده بود.

امروزه ، ما این نوع مخلوط را چندسازه(composite) می‌نامیم. طی پنجاه سال گذشته، مهندسان و دانشمندان علم مواد(موادشناسان) آموخته‌اند موادی مانند سرامیک‌های سخت و رشته‌های تیتانیوم را جای‌گزین گل و کاه کنند و به شیوه‌هایی مشابه شیوه‌های نیاکانمان، چندسازه‌هایی بسیار سخت و سبک بسازند. این چندسازه‌ها برای ساختن همه چیز، از راکت‌های تنیس گرفته تا فضا پیماها، به کار می‌آیند.

چند سازه‌ها به طور معمول با جای دادن رشته‌ها یا ذره‌هایی از ماده‌ای دیگر ساخته می‌شوند. در نخستین چندسازه‌های دست بشر، این ماده‌ای زمینه ای، گل رس بود. امروزه، ماده‌ی زمینه می‌تواند فلز، گونه‌ای بسپار(پلیمر) یا حتی سرامیک باشد. در هر صورت، ماده‌ی زمینه مانند چسب کار می‌کند و خرده‌های چندسازه‌ را به هم می‌چسباند. خرده‌ها، یعنی رشته‌های کربن یا ذره‌های سرامیک، نیز مانند کاه باعث سختی و پایداری چندسازه می‌شوند.

ویژگی‌های یک چندسازه فراتر از ویژگی‌های خرده‌های سازنده‌اش است. برای نمونه، یکی از معمولی‌ترین چند سازه‌های امروزی GRP  یا glass reinforced plastic است. این چندسازه از هزاران رشته‌ی شیشه‌ای میکروسکوپی ساخته شده است که در زمینه‌ای از بسپار رزین جای گرفته‌اند. شیشه، شکننده و بسپار رزین بسیار انعطاف‌پذیر است. با وجود این، GRP هم سخت و هم پایدار است. این چند سازه، ماده‌ی اولیه‌ی بسیار خوبی برای ساختن بدنه‌ی قایق‌های بادبانی مسابقه‌ای است.

چندسازه‌های طبیعی

اگر چه مواد شناسان تنها در چند دهه‌ی گذشته به سوی چندسازه‌ها گرایش پیدا کرده‌اند، طبیعت در خود چندسازه‌های بسیار سخت، پیچیده و گوناگونی دارد که از دیدگاه سختی و وزن، مانندی برای آن‌ها نمی‌توان یافت. به هر جای طبیعت که می‌نگریم، با یک چندسازه رو به رو می‌شویم. برای نمونه، صدف‌های دریایی از چندسازه‌ی سرامیکی سختی ساخته شده‌اند. این سرامیک از لایه‌هایی از بلورهای سخت تشکیل شده که در زمینه‌ی سیمانی نرم‌تری جای دارند. این سرامیک سخت و پایدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداری می‌کند که پیوسته آن را بر سطح سخره‌ها می کوبد.

چوب نیز نوعی چندسازه است. این چند سازه از رشته‌های سخت سلولوز تشکیل شده که درون بسپاری نرم به نام پکتین(Pectin) جای گرفته‌اند. بدون چند سازه‌ها ما نمی توانیم به پا خیزیم. بدن ما پر از چند سازه است. استخوان‌های ما از سخت‌‌ترین چندسازه ها هستند. دیواره‌ی رگ‌ها ، زردپی‌ها و رباط‌ها نیز از چندسازه‌ها درست شده اند. پوست سخت حشره‌ها نیز نوعی چند سازه است. روی هم رفته، پایه‌ی معماری طبیعت بر چندسازه هاست.

بشر از سالیان دور از چندسازه‌های طبیعی بهره گرفته است. کاه که برای ساختن نخستین چندسازه‌ها به کار می‌رفت، خود نوعی چندسازه است. ابزارهای چوبی، کفش و لباسی که از پوست جانوران تهیه می‌شود، همه چندسازه‌های طبیعی‌اند. به خاطر این گوناگونی و ویژگی‌های بی‌مانند، موادشناسان تلاش می‌کنند از این مواد برای سختی بخشیدن به چندسازه‌های ساختگی(مصنوعی) بهره‌ گیرند تا از پیامدهای زیست محیطی ناگوار ناشی از مواد ساختگی بکاهند.

رشته های جادویی

در اغلب جانوران پر سلولی، از جمله انسان، رشته‌های پروتئینی محکمی به نام کلاژن (collagen) به عنوان اسکلت مولکولی بدن کار می‌کنند. این رشته‌ها در استخوان، زردپی‌ها، رباط‌ها ، غضروف و پوست یافت می‌شوند. یک رشته‌ی کلاژن، مانند قطعه‌ای از طناب از رشته‌های کوچک‌تری تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچیده‌اند.

یک مولکول کلاژن از سه زنجیره ی پروتئینی تشکیل شده که به دور یک دیگر پیچیده‌اند و هر کدام از واحدهای کوچک‌تری به نام اسیدآمینه تشکیل شده‌اند. مولکول‌های کلاژن به گونه‌ای ویژه کنار یک‌دیگر آرایش می‌یابند و یک ریز رشته را می‌سازند. تعداد زیادی از این ریز رشته‌ها به دور یک‌دیگر می‌پیچند تا یک رشته‌ی کلاژن ساخته شود.

AWT IMAGE

ساختمان مولکولی و اتمی یک رشته‌ی کلاژن

رشته‌های کلاژن با مواد گوناگونی در هم می‌آمیزند می‌شوند و چندسازه‌هایی با توانایی‌های ویژه می‌سازند. برای نمونه، کلاژن در استخوان با بلورهای کلسیم در هم می‌آمیزد و ساختار سختی می‌سازد. در نگاهی دقیق‌تر، استخوان مانند یک بتون مسلح به نظر می‌رسد که رشته‌های کلاژن آن مانند میل‌گردهای فولادی بتون، درون سیمانی از بلورهای هیدروکسی آپاتیت Ca10(PO4)6(OH)2 و پروتئین‌های نارشته‌ای از جمله اوستئوپونتین(osteopontin) و اوستئوکلسین(osteocalcin)جای گرفته‌اند. رشته‌های کلاژن مانند میل‌گردهای بتون مسلح، استخوان را در برابر ضربه پایدار می‌سازند و سیمان این بتون (بلورهای کلسیم + پروتئین های نارشته‌ای) بر پایداری آن در برابر فشار می‌افزاید.

AWT IMAGE

اگر مقدار رشته‌های کلاژن استخوان کاهش یابد، استخوان به اصطلاح پوک می شود و با کوچک‌ترین ضربه‌ای می شکند و اگر ماده‌ای سیمانی استخوان به گونه‌ای درست تولید نشود (برای نمونه، کلسیم به مقدار کافی جذب استخوان نشود) پایداری استخوان در برابر فشار کاهش می‌یابد. چنین استخوان نرمی، تحمل وزن بدن را از دست می‌دهد و کج می‌شود. این وضعیت در کودکانی دیده می‌شود که به مقدار کافی کلسیم دریافت نمی‌کنند یا به علت نقص ژنتیکی، کلسیم به مقدار کافی جذب استخوان‌هایشان نمی‌شود.

استخوان که یک چندسازه به شمار می‌رود، با بتون مسلح دو تفاوت اساسی دارد. نخست این که زنده است . لابه‌لای ماده‌ی زمینه‌ای استخوان که در واقع چند سازه‌ای از رشته‌های کلاژن و بلورهای کلسیم است، سلول‌های استخوانی قرار دارند که پیوسته استخوان را نوسازی می‌کنند. دیگر آن که این چند سازه بسیار سخت‌تر و ماندگارتر است و ماندگاری را بیش‌تر از زنده بودن خود و نوسازی پیوسته به ارمغان می‌برد.

مولکول‌های شیشه شور

در غضروف‌ها، کلاژن در ماده‌ی زمینه‌ای ژل مانندی قرار می‌گیرد و چندسازه‌ای با ویژگی‌های گوناگون به دست می‌آید. این چندسازه در محل مفصل‌ها باعث کاهش اصطکاک می‌شود و مانند فنر در خودروها، شوک حاصل از ضربه‌ها را کاهش می‌دهد. افزون بر این، به خاطر انعطاف‌پذیری ویژه‌ای که دارد به عنوان ماده‌ی اصلی سازنده‌ی بخش بیرونی گوش، نوک بینی و اسکلت جنین به کار رفته است.

ماده‌ی زمینه‌ی این چندسازه ازمولکول‌هایی به نام پروتئوگلیکان(proteoglycan) تشکیل شده است. مولکول‌های پروتئوگلیکان اسکلت پروتئینی میله‌ای شکلی دارند که شاخه‌های بسیاری از جنس کربوهیدرات به آن متصل هستند، این ساختمان به یک برس شیشه‌شور می‌ماند. زنجیره‌های قندی پروتئوگلیکان‌ها بارهای منفی فراوانی دارند و بنابراین ابر متراکمی از کاتیون‌ها (مانند + Na) در پیرامون آن‌ها شکل می‌گیرد. این ابر باعث می‌شود مقدار زیادی آب به ماده‌ی زمینه جذب شود و محیط ژل مانندی را فراهم کند که برای تحمل فشار بسیار مناسب است. رشته های کلاژنی که در این محیط پر آب جای دارند باعث مقاومت چندسازه در برابر کشش می‌شوند.

AWT IMAGE

غضروف گوش خارجی نسبت به غضروف مفصل زانو به انعطاف‌پذیری بیش‌تری نیاز دارد. رشته‌های کشسانی در غضروف گوش وجود دارد که از پروتئینی به نام الاستین(elastin)ساخته شده‌اند. رشته‌های الاستین در دیواره‌ی رگ‌ها و پوست نیز وجود دارند و به این چند سازه‌ها خاصیت کشسانی می‌بخشند. بنابراین، پروتئین‌های رشته‌ای کلاژن و الاستین با قرار گرفتن در ماده‌ی زمینه‌ای گوناگون، چند سازه‌هایی با ویژگی‌های جادویی می‌آفرینند. البته، آرایش رشته‌های پروتئینی نیز در تعیین ویژگی‌های چند سازه‌های بدن مؤثر است. برای نمونه، در رباط‌ها و زردپی‌ها، رشته‌های کلاژن با آرایش منظمی از درازا کنار یکدیگر ردیف شده‌اند. این آرایش به دسته کردن چند ترکه‌ی چوب می‌ماند که شکستن آن‌ها را دشوار می‌سازد.

AWT IMAGE

چند سازه ی گیاهی

برخلاف سلول‌های جانوری، سلول‌های گیاهی را دیواره‌ی سختی به نام دیواره‌ی سلولی در برمی‌گیرد. این دیواره به پیکر گیاهان سختی و پایداری می‌بخشد. بدون این دیواره، گیاهان مانند ژله بر سطح زمین پهن خواهند شد. این دیواره نیز گونه‌ای چندسازه است. در این چندسازه، رشته‌های بسیار سخت سلولوز در زمینه‌ای از پکتین، همی‌سلولوز و لیگنین قرار گرفته‌اند.

AWT IMAGE

الگو برداری از طبیعت

مادر طبیعت، مواد ساده‌ای مانند قند و پروتئین را بر می‌گزیند و با آمیختن آن‌ها با یکدیگر، ترکیب‌های پیچیده‌‌ای می‌سازد که اغلب چند نقش مهم از خود به جا می‌گذارند. اما آدمی از ترکیب‌های پیچیده به عنوان ماده‌ی اولیه استفاده می‌کند و آن‌ها را به شیوه‌ای ساده با هم مخلوط می‌کند، به امید این که چیز خوبی از آن‌ها به دست آورد. شکی نیست که ما چیزهای خوبی برای خودمان ساخته ایم. اما هنوز نمی‌توانیم چنان کنیم که طبیعت هر روز انجام می‌دهد.

اغلب سازه‌هایی که بشر ساخته است به خوبی چندسازه‌های طبیعی نیستند، زیرا مادر طبیعت طی میلیون‌ها سال تکامل جانداران، ویژگی‌های این مواد را بهبود بخشیده است. از این رو، شمار فراوانی از دانشمندان علم مواد تصمیم گرفته‌اند با الگوبرداری از طبیعت، چندسازه‌هایی بسازند که ویژگی‌های بهتری داشته باشند. این چند سازه‌ها با طبیعت نیز مهربان‌تر هستند. در ادامه فهرستی از تازه‌ترین دستاوردهای پژوهشگران معرفی می‌شود:

1. انویرون(environ): این چند سازه از 40 درصد کاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سویا و 20 درصد ترکیب‌های دیگر (از جمله رنگ‌دهنده‌ها و کاتالیزگری که در حضور آب کارا می‌شود و گرد سویا را به رزین دگرگونه می‌کند) ساخته می‌شود. فراورده‌ی کار، یک چندسازه‌ی زیستی است که ظاهری سنگ مانند دارد، اما مانند چوب می‌توان آن را برید. از این چندسازه می‌توان هر نوع ابزار چوبی را با ظاهری سنگ مانند ساخت.

2. پلاستیک چوبی: در این نوع چندسازه، رشته‌های سلولوزی به دست آمده از کاغذ روزنامه یا خاک‌اره درون رزین‌هاس حساس به دما مانند پلی پروپیلن، پلی اتیلن، پلی استیرن و پلی وینیل کلرید(PVC) جای می‌گیرند. از این نوع چند سازه می‌توان در بدنه‌ی خودرو و بخش‌های درونی آن و نیز در لوازم خانگی از جمله دسته‌ی قیچی، دسته‌ی قلم مو و پوشش دیسکت‌های رایانه بهره گرفت. در این حالت، فراورده‌هایی در اختیار داریم که ظاهری چوب مانند دارند، اما ویژگی‌های پلاستیک را از خود نشان می‌دهند.

3. چندسازه‌ی الکترونیک: در این نوع چندسازه مواد زنده(پروتئین‌های باکتری‌ها و ویروس‌ها و رشته‌های DNA) با مواد معدنی (ذره‌های فلز و نیمه رساناها) درهم می‌آمیزند و چندسازه‌ی ظریفی به دست می‌آید که می‌توان از آن برای تولید تراشه‌های رایانه‌ای بسیار کوچک و دیگر ابزارهای الکترونیک بهره گرفت. در واقع،‌ این چند سازه‌ها حلقه‌ی ارتباطی شیمی معدنی و زیست‌شناسی مولکولی هستند.

به تازگی انجلا بلچر(Belcher) و ساندرا ولی(Whaley) از ویروس‌ها، پروتئین‌هاییبه دست آورده‌اند که با گالیم، آرسنید، سیلسیم، ینیدیوم فسفیدها و روی‌سلنید ترکیب می‌شوند. آنان با بررسی بیش از 100 میلیون ویروس به این پروتئین‌ها دست یافتند و با بهره‌گیری از ساز و کارهای تکامل، پروتئین‌هایی را گزینش کردند که به نیمه‌رساناها می‌پیوندند. سپس این پروتئین‌ها را با استفاده از باکتری‌ها به تولید انبوه رساندند. به این ترتیب، آن ها به مواد اولیه‌ی چند سازه‌ای دست پیدا کردند که امید می‌رود دنیای الکترونیک را دگرگون کند.

4. چند سازه‌ای که خود را بازسازی می‌کند: پژوهشگران دانشگاه الیسون، کپسول‌های بسیار ریزی را همراه کاتالیزگر ویژه، درون زمینه‌ی یک چندسازه جای داده‌اند. این کپسول‌ها حاوی مواد ترمیم کننده هستند که با شکسته شدن چند سازه و از هم پاشیدن کپسول‌ها آزاد می‌شوند. هنگامی که این مواد با کاتالیزگر موجود در زمینه‌ی چندسازه برخورد پیدا کنند، به فرایند بسپارش وارد می‌شوند و شکستگی را بازسازی می‌کنند. باتوجه به این که برخی از شکستگی‌ها درعمق یک ساختار به وجود می‌آیند وتشخیص و ترمیم آن‌ها بسیار دشوار است، این چند سازه‌ها می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در الکترونیک، صنایع هوایی و فضایی داشته باشند. این چند سازه‌ها با الگوبرداری از خاصیت ترمیم پذیری چند سازه‌های زیستی طراحی شده‌اند.

5. چند سازه‌ای برای استخوان: پژوهشگران تلاش می کنند تا با استفاده از بلورهای هیدروکسی آپاتیت‌، ‌مولکول‌های کلاژن و دیگر اجزای مورد نیاز، چند سازه‌ای بسازند که بتوان از آن برای ترمیم یا جایگزینی استخوان‌ها استفاده کنند.

نتیجه‌

ویژگی‌های یک چند سازه فراتر از ویژگی‌های خرده‌های سازنده‌ی آن است. با وجود این، برای به دست آوردن چندسازه‌ای با ویژگی‌های مورد نظر، یک شیمی‌دان باید ویژگی‌های موادی را که می‌خواهد در چندسازه بگنجاند به خوبی بشناسد. در واقع ، کار او شناخت ویژگی‌های مواد و ترکیب ویژگی‌ها برای به دست آوردن ویژگی‌های تازه است. بنابراین، افزایش شناخت ما از ساختمان و ویژگی‌های موادی که در جهان زنده یافت می‌شود، می‌تواند ما را به سوی چندسازه‌هایی رهنمون شود که افزون بر داشتن ویژگی‌های جادویی، دوست خوبی برای طبیعت نیز باشند.

منبع:

1.Tom Matthams.Perfect partnerships. New scientist 2001 20 January

2. http://www.buildinggreen.com/

3. Whaley, Sandra R.; English, D. S.; Hu, Evelyn L.; Barbara, Paul F.; Belcher, Angela M.. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly. Nature (London) (2000), 405(6787), 665-668.

4. Mimicking Biological Systems, Composite Material Heals Itself. ScienceDaily

نشانی مطلب در وبگاه جزیره دانش:
http://jazirehdanesh.com/find.php?item=1.432.541.fa
برگشت به اصل مطلب