מכופף הפולימרים: מדוע לצ'יפס יש קימורים וכיצד ניצנים גדלים להיות פרחים?

צוות חוקרים מהאוניברסיטה העברית הצליח “לתכנת” חומרים שיהפכו למגוון ורות בדומה למתרחש בטבע

בתמונה: צורת 'סומבררו' שנוצרה בידי מדענים באוניברסיטה העברית כתוצאה מחימום יריעה מתוכנתת של ג'ל פולימרי.

האם אפשר “לתכנת” חומרים דוממים ושטוחים להפוך לצורות תלת-ממדיות ומגוונות כמו כיפות, מַשְפֵּכִים או כובעי סומבררו? לדעת ד”ר ערן שרון ועמיתיו למחקר, יעל קליין ואפי אפרתי, ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית – התשובה היא בהחלט כן.

לראשונה בעולם הצליחו ד”ר שרון ועמיתיו לגרום ליריעות דקות של פולימרים להתכופף עצמאית ולהפוך לצורות מוגדרות כמו כובעים וכיפות, בהתאם לתכנות מוקדם שנעשה בהם. תוצאות המחקר המהפכני התפרסמו בכתב העת היוקרתי Science.

התהליך דומה לדרך התפתחותם של ניצנים והפיכתם לפרח בעל צורה מורכבת. “גדילה לא אחידה במישור מובילה להיווצרות מבנים תלת-ממדיים אפילו מורכבים מאוד”, מסביר ד”ר שרון את העיקרון שבבסיס המחקר.

יריעות החומר הדקות משנות צורתן מכיוון שריכוז הג'ל (המורכב מרשת של פולימרים) שהן עשויות ממנו אינו אחיד על פניהן. כתוצאה מכך, ברגע שמעלים את טמפרטורת הסביבה מעל 33 מעלות צלזיוס, יריעת הג'ל מתכווצת בשיעורים שונים ובמקומות שונים, ובסופו של תהליך הופכת לצורה מוגדרת. לאחר סדרה של ניסויי מעבדה, הבינו החוקרים אלו צורות נוצרות כתוצאה מהתכווצויות הפולימרים ובנו שיטה אוטומטית שתנפיק את כמות הג'ל הפולימרי הנדרשת לבניית הצורות הרצויות.

השיטה לעיצוב משטחים שפיתחו ד”ר שרון ועמיתיו למחקר מבוססת על עקרונות מתחום הגאומטריה הדיפרנציאלית, תחום ששימש את אלברט איינשטיין כאשר פיתח את תורת היחסות. “עיקרון זה הוא שמקנה לרצועות הצ'יפס את הקימורים שבצורתן”, מסביר ד”ר שרון.

לדברי ד”ר שרון, לתוצאות המחקר השלכות חשובות, בפרט בתחום הביו-רפואה והביו-מכניקה. “באמצעות הפיתוח שלנו, ניתן לבנות אביזרים רכים, כגון מארזים ושסתומים, אשר יכולים לשנות את צורתם באופן דינמי בתוך גוף האדם. מעבר לכך, הפיתוח מאפשר יצירה פשוטה וזולה של מבנים מורכבים ביותר ודינמיים שקשה לייצרם באופן תעשייתי. הבנת עקרון העיצוב החדש מעניקה לנו כלים להבנה של אחת השאלות המדעיות המרתקות: אילו מנגנונים מאפשרים לגופים הגדלים בטבע, כמו פרחים ועובּרים ברחם אִמם, לקבל את צורתם הרצויה?”.