מדענים ממשרד האנרגיה של ארה"ב הצליחו לחקות את המבנה של אם הפנינה (צדפת-הפנינים, סוג של צדפה שבתוכה נוצרות פנינים) ליצירת מה שעשוי להיות כחומר הקראמי הקשיח ביותר שהופק אי-פעם.
ביו-ממטיקה – המצאות טכנולוגיות בהשראת הטבע – הינה אחד מהרעיונות הלוהטים ביותר במדע למרות שהוא עדיין לא הצליח להצמיח התקדמויות מעשיות רבות. זה הזמן לשינוי – מדענים ממשרד האנרגיה של ארה"ב הצליחו לחקות את המבנה של אם הפנינה (צדפת-הפנינים, סוג של צדפה שבתוכה נוצרות פנינים) ליצירת מה שעשוי להיות כחומר הקראמי הקשיח ביותר שהופק אי-פעם.
באמצעות הקפאה מבוקרת של תרחיפי-תחמוצת אלומיניום (אלומינה) במים והוספה של פולימר ידוע מאוד, פולימתילמטאקרילאט (polymethylmethacrylate, PMMA), צוות חוקרים הצליח לייצר חומרים קראמיים החזקים פי שלוש מאות פעמים מאשר רכיביהם הנפרדים. ראש צוות המחקר הוא Robert Ritchie מהמחלקה להנדסה ומדעי-החומרים באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה.
"חיקינו את מנגנוני ההקשחה הטבעיים בכדי ליצור היברידים של אלומינה בהתבסס על תבניות- קרח לקבלת חומר קשיח ועמיד ברמה של סגסוגות אלומיניום," אומר החוקר. "אנו מאמינים כי חומרי-דגם אלו יוכלו לשמש בזיהוי מאפייני-מבנה ראשיים אשר ידריכו את רעיונות הסינתזה העתידית של חומרים מבניים קלי-משקל, לא ביולוגיים, בהשראת הטבע, בעלי חוזק וקשיות ייחודיים."
אם הפנינה, או צדפת-הפנינים, החלק הפנימי של צדפות, שבלולים ורכיכות מסוימות אחרות, ידועה הן בזכות יופייה הססגוני והן בזכות קשיותה הרבה. הפנינה מורכבת מתשעים וחמישה אחוזים של ארגוניט (aragonite), מחצב קשיח אך פריך של סידן פחמתי (CaCO3), והיתר מורכב מתרכובות אורגניות רכות. אולם, הצדפה עצמה יכולה להיות 3000 פעמים (במונחי אנרגיה) עמידה יותר לשברים מאשר ארגוניט. אף חומר מעשה ידי-אדם לא עולה בביצועיו, ביחס לחומרים המרכיבים אותו, בפער כה גדול שכזה. הבעיה הייתה כי קשיותה הרבה של הצדפה נובעת ממבנה אדריכלי המשתנה על פני תחום אורכים החל מננומטרים ועד מיקרומטרים. ההנדסה האנושית עדיין לא הצליחה לשכפל את שונות מידות האורך הזו.
אולם, לפני כשנתיים, חוקרי המעבדה בברקלי, Tomsia ו- Saiz מצאו דרך לשפר את הקשיות של מרכיבי העצם באמצעות שיטת עיבוד הכוללת הקפאה של מי-ים. שיטה זו הובילה לקבלת חומרים קראמיים שהיו חזקים פי ארבעה יותר מעצמות מלאכותיות. כאשר מי-ים קופאים, גבישי קרח יוצרים מערכת פיגומים של שכבות דקיקות. שכבות אלו הינן קרח טהור, מכיוון שבמהלך היווצרותן זיהומים שונים, כגון מלח ומיקרואורגניזמים, מורחקים ונלכדים במרווחים שבין השכבות. המבנה המתקבל דומה, באופן גס, לזה של הצדפות.
"מאחר שמי-ים מסוגלים לקפוא כמו חומרים שכבתיים, הנחנו לטבע להוביל את התהליך בו הצלחנו לצקת חומרים קראמיים בהקפאה ולקבל חיקוי של הצדפה הטבעית," אמר החוקר Tomsia.
במחקר עדכני זה, החוקר Ritchie, יחד עם שני המדענים הנוספים, עידן את שיטת היציקה-בהקפאה ויישם אותה עבור חומרים היברידיים של אלומינה/PMMA לקבלת פיגומים קראמיים בעלי נקבוביות רחבות שהיו דומים ביותר למיקרו-מבנים של הצדפה הטבעית.
בכדי להצליח בכך, הם השתמשו בתחילה בהקפאה מוכוונת לקידום היצירה של שכבות דקיקות (רובד דק, lamellae) של קרח אשר שימשו כתבניות להכנת פיגומי אלומינה שכבתיים. לאחר הרחקת הקרח, המרווחים שבין שכבות האלומינה מולאו בפולימר.
"ההסבר לקשיותם של חומרים טמון ביכולתם לפזר אנרגיית-מאמץ," מציין החוקר. "מילוי החללים שבין שכבות האלומינה בפולימר מאפשר לשכבות האלומינה הקשיחות להחליק זו על-גבי זו, במידה קטנה יחסית, כאשר מופעל עליהן לחץ חיצוני, ובכך הן מצליחות לפזר את אנרגיית-המאמץ. הפולימר משמש כחומר-סיכה, בדומה לשמן במנועי-רכבים."
בנוסף ליצירת הפיגומים השכבתיים, הצוות הצליח גם להכין מבנים דמויי-צדפה של לבנים ומלט בעלי תכולת אלומינה גבוהה. הם עשו זאת באמצעות מיטוט מבוקר של הפיגומים בכיוון הניצב לשכבות ואז בדִּבְקוּק (sintering, תהליך חימום חומר במידת חום שהיא קצת מתחת לנקודת ההתכה על מנת ליצור גוש מוצק אחד) לבני-האלומינה לשם קידום דחיסותן ויצירת גשרים קראמיים בין הלבנים הפרטניות.
"באמצעות שיטה זו הצלחנו ליצור מבנים מורכבים בהם ניתן לכוונן את עובי השכבות, לבקר את הכיווניות המקרוסקופית שלהם, לשנות את הכימיה והקשיות של הממשקים הבין-שכבתיים ולקבל צפיפות נתונה של גשרים אי-אורגניים, והכל בטווח נרחב של גדלים."
לשם הכנה עתידית של חומרים קראמיים בעלי קשיות רבה עוד יותר, החוקר אומר כי על צוותו לשפר את היחס של החומר הקרמי/פולימר בהרכבים שלהם. החומר ההיברדי אלומינה/PMMA הכיל רק כשמונים וחמישה אחוזים של אלומינה. החוקרים מעוניינים להגדיל את תכולת האלומינה עוד יותר ולהפחית בעובי השכבות. כמו-כן הם מעוניינים להחליף את הפולימר PMMA בפולימר טוב יותר ובסופו של דבר להחליף את הפולימר כולו במתכת.
אומר החוקר הראשי, "הפולימר מסוגל רק לסייע בהחלקה של השכבות אחת על-גביי השנייה ולא ליטול על עצמו חלק מהמאמץ האנרגטי. מילוי החללים בין השכבות הקראמיות יספק לנו חומר-סיכה שיוכל לשאת גם חלק מהמאמץ עצמו. זה ישפר את החוזק והקשיות של החומר הסופי."
חומרים עתידיים שכאלו יהיו קלי-משקל, חזקים וקשיחים ויוכלו לשמש ביישומי אנרגיה ותחבורה, מוסיף החוקר.