קירות, דלפקים ובדים המנקים את עצמם, ואפילו מיקרו-רובוטים המסוגלים לפסוע על מים – כל אלו ועוד קרובים מתמיד למציאות
קירות, דלפקים ובדים המנקים את עצמם, ואפילו מיקרו-רובוטים המסוגלים לפסוע על מים – כל אלו ועוד קרובים מתמיד למציאות בזכות מחקר שהושלם זה עתה ע"י מדענים מאוניברסיטת נברסקה בארה"ב וממכון המחקר היפני RIKEN.
בני-האדם השתאו למעלה מאלף שנים כיצד מים מחליקים מעל פני פרחים, תולעים וסוגים אחדים של חרקים וכיצד החיפושית הקרויה חיפושית מים מסוגלת להלך ללא כל מאמץ על-גבי המים. זוהי תכונה הקרויה על-הידרופוביות (super hydrophobia, רתיעה ממים) והיא נחקרה ללא לאות ע"י המדענים החל משנות השלושים של המאה הקודמת.
"הרבה אנשים חוקרים את התופעה הזו ומהנדסים מתפעלים מחיפושית המים במיוחד מכיוון שהיא מסוגלת פשוט להלך על המים," אומר הפרופסור לכימיה Xiao Cheng Zeng מאוניברסיטת UNL. "הרגליים שלהן הינן על-הידרופוביות וכל אחת מהן מסוגלת לשאת פי חמישה עשר ממשקלה לבד. הידרופוביות משמעה שהמים נרתעים ומורחקים מהרגליים ותופעה זו שומרת עליהן יבשות ופעילות. מדענים ומהנדסים רבים שואפים לפתח משטחים וציפויים המסוגלים לחקות את התכונה הזו הקיימת בטבע."
במאמר שיפורסם בחודש מאי בגרסת הרשת של כתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences צוות המחקר מספק למהנדסים ולמדעני-חומרים רמזים חשובים לגביי הפיתוח של חומרים על-הידרופוביים.
בטבע, יצורים חיים כגון זחלים, חיפושיות מים והפרח לוטוס משיגים על-הידרופוביות באמצעות מבנה דו-שכבתי – משטח שעווני הידרופובי ההופך לעל-הידרופובי הודות לתוספת של מבנים דמויי-שיער מיקרוסקופיים היכולים להיות עטויים עצמם במבנים יותר קטנים. מערך זה מגדיל משמעותית את שטח הפנים של היצור ומונע מטיפות מים להתמקם בהם.
באמצעות השימוש במחשב-על מהיר ביותר (שהיה המהיר מסוגו בעולם כאשר החל המחקר בשנת 2005) הצוות תכנן הדמיות ממוחשבות בכדי לבצע עשרות אלפי "ניסויים" הבוחנים את התנהגותם של משטחים בתנאים שונים. החוקרים השתמשו במחשב בכדי "להמטיר" טיפות מים מדומות (וירטואליות) בגדלים ובמהירויות שונות על משטחים שהורכבו מ"עמודים" בעלי גובה ורוחב מגוונים תוך שינוי נפח החללים שביניהם.
מניסויים אלו החוקרים הסיקו כי קיים סף-גובה קריטי, בהתאם למבנה המסוים של המשטח ולתכונותיו הכימיות, שמעברו טיפות מים לא מסוגלות לחדור. אם הטיפות מסוגלות לחדור את שכבת העמודים ולהגיע בסופו של דבר לשכבה השעוונית, הם פשוט מצויים במצב הידרופובי המכונה מצב Wenzel (ע"ש Robert Wenzel, אשר גילה את התופעה בטבע כבר בשנת 1936). אם הטיפות לא מסוגלות לחדור את שכבת העמודים ולהגיע לשכבה השעוונית, המבנה קיים במצב של על-הידרופוביות המכונה מצב Cassie (ע"ש A.B.D. Cassie, אשר גילה אותה בשנת 1942), וטיפות המים ניתזות החוצה.
"הדמיות מסוג זה – שאנו קוראים להן "תכנון משטח בסיוע מחשב" – יכולות לעזור ממש למהנדסים בתכנון ופיתוח משטחים ננו-מבניים טובים יותר," אומר החוקר הראשי. "במצב Cassie טיפות המים נותרות על פני השטח ועל-ידי כך הן מסוגלות להרחיק לכלוך וזיהומים. במצב Wenzel טיפות המים כאילו דבוקות למשטח ונעדרות את היכולת לניקוי-עצמי. כאשר מדענים ייפתחו בעתיד ננו-מכונה – ננו-רובוט – הם ירצו שזו תוכל לנקות את עצמה."
החוקר טוען לשלושה יתרונות עיקריים בביצוע הניסויים באופן ממוחשב ולא במעבדה. ראשית, הם היו מסוגלים לבצע אלפי חזרות יותר מאשר היה אפשרי במעבדה. שנית, הם לא נדרשו לדאוג למשתנים כגון לכלוך, טמפרטורה וזרימת אוויר. שלישית, הם יכלו לשלוט בגודל הטיפות עד כדי מספר הפרודות המדויק, בעוד שבניסוי מעבדתי הטיפות, באופן בלתי-נמנע, היו מתפרשות על מרחב הרבה יותר עצום של גדלים.
עוד בנושא באתר הידען
2 Responses
רענן:
כל התהליך של פיתוח תיאוריות הוא תהליך מחשבתי המהווה נדבך חשוב במדע.
לכן – הפעילות המתוארת היא חלק מן המדע ומכיוון שזה ניסוי כנראה שגם הביטוי "ניסוי מדעי" מוצדק.
נכון, עם זאת, שלא מדובר כאן בסוג הניסוי המדעי המשמש לבדיקת נכונותן של תיאוריות אלא בכזה המיועד דווקא להמשיך ולפתח אותן כדי לדעת את כל תחזיותיהן.
כמובן שבהמשך אפשר יהיה לערוך ניסויים ממשיים ולבדוק אם תוצאות הניסויים תואמות את התחזית שהתקבלה מן התהליך הממוחשב.
אם תהיה התאמה – יהיה בכך אישוש לתיאוריה ולנכונות החישובים.
אם לא תהיה התאמה יצביע הדבר על כך שהתיאוריה (כפי שתוארה על ידי התוכנה) אינה נכונה.
האם ניסוי ממוחשב כלשהו שאין יכולת טכנולוגית לבצע אותו במציאות אלא רק על גבי מחשב-על,מסיבות שונות, נניח בגלל שקשה ליצור במציאות טיפות מים שמכילות את מספר המולקולות המדוייק שדרוש לנו. האם ניסוי ממוחשב שכזה הוא ניסוי מדעי או ניסוי מחשבתי בלבד?