סיקור מקיף

יצירת נקודות חולשה לחיזוק חומרים

החומר הקרוי אם הפנינה חזק פי 3,000 מקרמיקה, והוא מורכב מסידן קרבונט במבנה גאוני, המסודר במקטעים זעירים בתחום הננו. מקטעים אלו מקנים למבנה את עמידותו ומופרדים זה מזה באמצעות שכבה ביופולימרית אלסטית, התורמת לחומר את הגמישות והעמידות המאפיינות אותו.

מאת: דפנה חיים לנגפורד

סריקה במיקרוגרף אלקטרון של ננו לבנים של החומר nacre Credit: F. Heinemann; Wikimedia Creative Commons License.
סריקה במיקרוגרף אלקטרון של ננו לבנים של אם הפנינה Credit: F. Heinemann; Wikimedia Creative Commons License.

אתם בוודאי מכירים את השכבה הססגונית והזוהרת המצפה את פנים הצדפה? האם תהיתם למה היא שם פרט לעיצוב בית הרכיכה שגרה בו בעבר?

ציפוי זה נקרא אם הפנינה (או דר) והוא נמצא בצדפות של רכיכות מסוגים שונים, ואחראי לחוזקה ועמידותה של הצדפה. החומר הקרוי אם הפנינה חזק פי 3,000 מקרמיקה, והוא מורכב מסידן קרבונט במבנה גאוני, המסודר במקטעים זעירים בתחום הננו. מקטעים אלו מקנים למבנה את עמידותו ומופרדים זה מזה באמצעות שכבה ביופולימרית אלסטית, התורמת לחומר את הגמישות והעמידות המאפיינות אותו.

במחקר שפורסם לאחרונה ב Nature Communications, מתארים מדענים מאוניברסיטת McGill שבקנדה כיצד חיקוי מבנה אם הפנינה הוביל לפיתוח זכוכית חזקה יותר.

הסוד מאחורי חוזק המבנה של אם הפנינה הוא בחולשתו. בטבע, חומרים עמידים וחזקים, כמו שיניים למשל, מורכבים מיסודות חזקים מאוד, בעלי מבנה חזק אך עם נקודות השקה חלשות ביניהם. היכולת לכוון את השבר, באמצעות נקודות השקה חלשות, קריטית לביצועי החומר, ומצב זה יתכן רק כשהממשקים חלשים יותר מאבני הבניה עצמן.

בניסיונות עבר, ניסו לחקות את המבנה של אם הפנינה באמצעות חיבור מיקרו מבנים חזקים, על ידי נקודות השקה חלשות. המדענים מאוניברסיטת McGill החליטו לנסות הפוך: במקום להתחיל מאבני הבניה, הם יצרו נקודות השקה חלשות ביחידת זכוכית שלמה, על ידע יצירת "מיקרו" סדקים מבוקרים באמצעות לייזר UV.
על ידי יצירת "מיקרו" סדקים בזכוכית, הגדירו המדענים מראש את כיוון השבר שיווצר בזכוכית תחת לחץ. עוד הם מצאו שגם לתצורת הסדקים יש משמעות בהקניית החוזק, ויצירת מיקרו סדקים שאינם ישרים הגדילה את חוזקה של הזכוכית פי 100.

למרות שיצירת מיקרו סדקים בזכוכית נראה לא אינטואיטיבי כחלק מהמאמץ לחזק אותה, הסדקים מאפשרים לזכוכית להתעקם, ומונעים התקדמות הסדק עד לנקודת שבירה. במחקר זה הוכיחו המדענים כי ניתן לחזק זכוכית וחומרים נוספים על ידי יצירת תבניות של סדקים מזעריים, והשלב הבא הוא לחזק חומרים נוספים לא על ידי הוספת חומר, כי אם על ידי יצירת נקודות חולשה.

החלשה לצורך חיזוק ראינו בעבר במבנה רשת קורי העכביש (לא בחוזקו של הסיב אלא במבנה הרשת, המקנה עמידות באמצעות נקודות שבירה ייעודיות) וכן במבנה המשושים בשריון הצב, הורדת כמות החומר בנקודות ההשקה שיצרה עליה בחוזק השריון והיוותה מקור השראה לשלדי מכוניות ואפילו למכונות כביסה.

למחקר המדעי
מקור הידיעה

תגובה אחת

  1. זה מזכיר את הבדיחה על חברת תעופה גדולה שניסתה לפתח מטוס חדש, אך משום מה כמעט בכל טיסת מבחן בשלב מסויים הכנפיים נתלשו פתאום מנקודת החיבור עם גוף המטוס והמטוס התרסק.

    לאחר שהם נואשו ממציאת פיתרון הם החליטו לפרסם מודעה ובה הציעו פרס של מיליון דולר לכל מי שימצא פיתרון לבעיה. לאחר מספר שבועות שבהם הם ניסו פתרונות שונים שהציעו להם ואף אחד מהם לא צלח, פנה אליהם מהנדס ישראלי והציע להם: ״תקשיבו, נקבו חורים לרוחב הכנף בנקודה שבה הכנפיים מתנתקות מהגוף, זה יפתור לכם את הבעיה״.

    הפתרון נשמע להם חסר כל היגיון אבל מרוב יאוש הם החליטו בכל זאת לנסות את ההצעה שלו, למרבה ההפתעה מרגע זה והלאה הכנפיים הפסיקו ליפול!

    הם חזרו מופתעים אל אותו מהנדס ושאלו אותו ״איך ידעת שהחורים בכנפיים יפתרו את הבעיה?״, הוא ענה להם: ״פשוט מאוד, אצלנו בישראל נייר הטואלט אף פעם לא נקרע היכן שנמצאים החורים, אז תיארתי לעצמי שגם כאן זה יעבוד״.

    🙂

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן