פרק חדש

מדעני המכון הצליחו ליצור מערכת סיכוך חדשה, אשר מפחיתה את החיכוך לרמות דומות לאלה המתקיימות במערכות טבעיות

בתחרות הטכנולוגית המתקיימת בין האדם לטבע נהנה הטבע מיתרון ותק משמעותי – 3.5 מיליארד שנות ניסיון שבמהלכן השתכללו מאוד יכולותיו בתחומי העיצוב, התכנון והביצוע. כך נוצרו מערכות טבעיות מתוחכמות אשר מממשות באופן מרבי את הפוטנציאל שלהן, ומאפשרות לבעלי-החיים לתפקד ביעילות רבה. אחת הדוגמאות למערכת טכנולוגית יעילה, מעשי ידי הטבע, היא מערכת הסיכוך המופעלת במוקדי החיכוך בגוף האדם – המיפרקים. הטבע הצליח לפתח שיטות וחומרים אשר מפחיתים את החיכוך לרמות נמוכות במיוחד, גם במיפרקים הפועלים בלחצים גבוהים – כמו הירכיים והברכיים. החיכוך הנמוך במיפרקים אלה שקול, לשם המחשה, להפעלת כוח של קילו אחד – כוח המופעל בקלות באמצעות האצבע – כדי להסיט ממקומו משקל של טונה.

אבל, לרוע המזל, ועל-אף התכנון המדוקדק, המערכות הטבעיות אינן פועלות לנצח. שנים של שימוש מאומץ גובות מחיר כבד מהמיפרקים. הסיכה מתחילה להיפגע, ובעקבות כך נשחקים הסחוסים ונגרמת דלקת פרקים. העלייה המתמדת בתוחלת החיים מחריפה את נזקי השחיקה, כך שיותר ממחצית האוכלוסייה צפויה לסבול מפגיעה במיפרקים.במהלך השנים הצליחו מדענים לפתח מערכות סיכוך מלאכותיות שונות, אולם

גם המערכות היעילות ביותר לא התקרבו לרמות החיכוך הנמוכות – העומדות גם בלחצים גבוהים – המאפיינות את המיפרקים בגוף האדם. הקושי בפיתוח מערכות סיכוך מתאימות היה אחד הגורמים העיקריים שהגבילו את השימוש במיפרקי ירך וברך מלאכותיים. מחקר שביצעו מדעני מכון ויצמן למדע עשוי לסייע בפיתוח דרך מתקדמת להתגברות על הקושי הזה.

צוות מדענים, בראשות פרופ' יעקב קליין מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון, הצליח ליצור מערכת סיכוך חדשה, אשר מפחיתה את החיכוך לרמות דומות לאלה המתקיימות במערכות טבעיות. ממצאי המחקר, בו השתתפו תלמידת המחקר (דאז) מנג צ'ן ומדענים מאנגליה, פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science. מבנה המולקולות של מערכת הסיכוך החדשה דומה למברשת: “זיפי” המברשת עשויים מפולימר – כלומר שרשרות מולקולריות ארוכות המורכבות מרצף “חרוזים” של מולקולות קטנות יותר, ומחוברות מצדן האחד לפני השטח. כאשר שתי מברשות כאלה נעות זו לעומת זו, זיפי המברשות באים במגע זה עם זה (במקום המשטחים של פני השטח), וכך מופחת החיכוך בין שני הגופים.

ייחודה של מערכת הסיכוך הזו נובע מסוג המולקולות שנבחרו וכן מהדרך שבה גידלו המדענים את זיפי המברשת. המדענים
השתמשו במשטחים בעלי פני שטח חלקים ביותר, המצופים בציפוי מיוחד – שאחראי על תחילת יצירתו של הפולימר. באופן זה בקעו זיפי המברשת היישר מפני השטח, כשהם אחוזים בו בחזקה. לאחר מכן האריכו החוקרים את הזיפים שנוצרו, באמצעות הוספת יחידות מולקולריות נוספות וקשירתן בקשרים כימיים חזקים (בדומה לאופן בו מאריכים שרשרת באמצעות השחלת חרוזים על חוט). ייחודן של המולקולות המרכיבות את הפולימר הוא ב”צימאונן” למים: על-אף שמדובר במולקולות נייטרליות מבחינה חשמלית, אזורים שונים שלהן טעונים במטען יחסי, חיובי ושלילי. הודות לכך, הן מושכות מולקולות מים – שגם הן טעונות באותו אופן. מולקולות המים מקיפות את יחידות הפולימר ונקשרות אליהן בחוזקה. המבנה הנוצר, של שרשרות פולימר עטופות במולקולות מים, פועל כמו מיסב כדורי זעיר.

“מולקולות הקשורות למים – כמו אלה – מספקות רמה גבוהה ביותר של סיכה, והשרשרות האחוזות בחוזקה עמידות מאוד לחיכוך וללחצים גבוהים. כך הן אינן נשחקות”, אומר פרופ' קליין. “השילוב החדש שיצרנו, בין תכונות מועילות שונות, איפשר לנו להפחית את רמות החיכוך, גם בלחצים גבוהים יותר מכל מה שניסו בעבר במערכות סיכה מלאכותיות. ערכי החיכוך שקיבלנו במערכת המלאכותית שיצרנו דומים לאלה המתקבלים במיפרקים טבעיים”. חלק מהצלחת המחקר נזקף לזכות השימוש שעשו המדענים במכשירים רגישים ביותר למדידת חיכוך – שתוכננו ונבנו לראשונה בקבוצתו של פרופ' קליין במכון ויצמן למדע.

הציוד המתקדם איפשר לזהות מנגנוני סיכוך חיכוך שלא היו ידועים בעבר, דבר שסייע בתכנון מערכת הסיכה המתקדמת. מברשות פולימריות, ובפרט כאלה המצופות במולקולות מים, פועלות באופן שונה לחלוטין מדרך פעולתן של מערכות סיכה מסורתיות – המבוססות על שימוש בשמנים. גישה חדשה זו עשויה להוביל לפיתוח שיטות לייצור מיפרקים מלאכותיים להשתלה וכן לפיתוח מערכות רפואיות המוגבלות כיום על-ידי חיכוך ובלייה. מחקר זה עשוי גם להציע תובנות חדשות ולחשוף את סודותיו המקצועיים של הטבע באשר לדרכי הפעולה של המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס יכולת הסיכה הטבעית של הסחוס במיפרקים.

באותו הנושא באתר הידען

• גולשים על המים