دبیر ششمین همایش پژوهشهای نوین در مهندسی کامپیوتر عنوان کرد
معاون وزیر علوم خبر داد
یک استاد تاریخ و عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد در گفتوگو با آناتک:
ابریشم میتواند به مادهای فوقالعاده قویتر از استخوان تبدیل شود
پژوهشگران موفق شدهاند با روشی کاملاً مکانیکی و کممصرف، الیاف طبیعی ابریشم را به ساختاری فشرده و یکپارچه تبدیل کنند که در برخی آزمونها از چوب و استخوان مقاومتر است و حتی به عملکرد «کولار» (Kevlar) نزدیک میشود. به گزارش سایت علمی «ارف» (Earth) این دستاورد نهتنها نگاه ما به ابریشم را تغییر میدهد، بلکه میتواند مسیر طراحی مواد آینده را نیز بازتعریف کند؛ موادی سبک، مقاوم، زیستپایه و قابلتجزیه.
نکته تعیینکننده در این پژوهش، فقط افزایش استحکام نیست، بلکه حذف پیچیدگی از فرآیند تولید است. برخلاف بسیاری از مواد پیشرفته که نیازمند واکنشهای شیمیایی سنگین، حلالهای صنعتی و مصرف بالای انرژی هستند، این ماده جدید تنها با همترازی الیاف طبیعی، اعمال گرما و فشار ساخته میشود. همین سادگیِ در ظاهر ابتدایی، در عمل به خلق ساختاری منجر شده که هم در برابر ضربه مقاوم است و هم بسیاری از ویژگیهای زیستی ابریشم را حفظ میکند.
از تار عنکبوت تا مهندسی مواد؛ بازخوانی یک ماده طبیعی
ابریشم در طبیعت همیشه جایگاه ویژهای داشته است. تارهای عنکبوت به دلیل مقاومت کششی بالا و توان جذب انرژی، یکی از پیچیدهترین مواد زیستی شناخته میشوند. پیلههای کرم ابریشم نیز نقش محافظی دارند که جنین حشره را در برابر عوامل محیطی حفظ میکند. انسانها نیز هزاران سال است که از این ماده برای تولید پوشاک استفاده میکنند، زیرا هم سبک است، هم انعطافپذیر و هم نسبت به وزن خود مقاومت قابلتوجهی دارد.
اما آنچه امروز رخ داده، عبور از استفاده سنتی و ورود به مرحله «بازمهندسی ساختار طبیعی» است. پژوهشگران تلاش کردهاند به جای تخریب ساختار و ساخت دوباره، خودِ الیاف طبیعی را حفظ کرده و آنها را در مقیاسی جدید به هم متصل کنند. این پژوهش با همکاری تیمهایی از دانشگاه تافتس، کالج امپریال لندن و دانشگاه میشیگان انجام شده است؛ مجموعهای از مراکز تحقیقاتی که در حوزه مواد زیستی و مهندسی پیشرفته شناخته شدهاند.
وقتی قدرت در فرآیند از بین میرفت
سالها تلاش برای استفاده صنعتی از ابریشم با یک مانع اساسی مواجه بود. در روشهای سنتی، الیاف ابریشم ابتدا در محلولهای شیمیایی حل میشدند و به پروتئینهای تشکیلدهنده خود، یعنی «فیبروئین ابریشم» (Silk Fibroin)، تجزیه میگردیدند. سپس این پروتئینها دوباره شکلدهی میشدند تا مواد جدید ساخته شوند.
مشکل این روش آن بود که ساختار طبیعی و منظم الیاف از بین میرفت. این ساختار دقیق، همان چیزی است که به ابریشم استحکام ذاتی میدهد. در نتیجه، محصول نهایی معمولاً ضعیفتر از ماده اولیه بود. به گفته پژوهشگران، این فرآیند نهتنها انرژی و زمان زیادی مصرف میکرد، بلکه ویژگیهای مکانیکی ارزشمند ماده را نیز کاهش میداد. در همین نقطه بود که نیاز به یک رویکرد کاملاً متفاوت احساس شد؛ حفظ ساختار طبیعی و تقویت آن، نه تخریب و بازسازی.
اتصال بدون تخریب
روش تازه بر پایه یک اصل ساده، اما بنیادی شکل گرفته است: اگر ساختار طبیعی ابریشم را دستنخورده نگه داریم، میتوانیم آن را به مادهای بسیار قویتر تبدیل کنیم. در این فرآیند، ابتدا الیاف خام ابریشم از پیلههای طبیعی استخراج میشوند. سپس لایه بیرونی چسبناک آنها، یعنی «سریسین» (Sericin)، حذف میشود تا الیاف خالص باقی بمانند. در مرحله بعد، این الیاف بهصورت کاملاً همراستا چیده شده و تحت فشار و دمای کنترلشده قرار میگیرند. به جای تجزیه مولکولی، تنها یک اتصال فیزیکی و حرارتی میان الیاف ایجاد میشود. این تفاوت ظریف، نتیجهای بنیادین دارد: حفظ شبکه طبیعی و ایجاد یک ماده فشرده و یکپارچه.
ساختار درونی ابریشم، دوگانگی نظم و انعطاف
برای درک بهتر این تحول، باید به ساختار داخلی ابریشم نگاه کرد. هر فیبر ابریشم از دو بخش اصلی تشکیل شده است: بخش اول، ناحیه «بلوری» (Crystalline region) است که دارای ساختاری منظم و تکرارشونده است. این بخش مسئول استحکام و مقاومت کششی بالا است. بخش دوم، ناحیه «بیشکل» (Amorphous region) است که ساختاری انعطافپذیرتر دارد و امکان تغییر شکل را فراهم میکند.
این ترکیب دوگانه باعث میشود ابریشم هم مقاوم باشد و هم انعطافپذیر. در روش جدید، همین بخش انعطافپذیر نقش کلیدی در اتصال الیاف به یکدیگر ایفا میکند؛ بهگونهای که تحت گرما و فشار، الیاف بدون از دست دادن ساختار اصلی، به هم جوش میخورند.
مرز میان استحکام و شکنندگی
یکی از مهمترین بخشهای این پژوهش، تعیین شرایط دقیق تولید بوده است. پژوهشگران دریافتند که تنها در یک بازه مشخص میتوان به بهترین نتیجه رسید. دمای مناسب فرآیند بین ۱۲۵ تا ۲۱۵ درجه سانتیگراد و فشار بین ۱۹۰۰ تا ۹۸۰۰ اتمسفر تعیین شده است. خارج از این محدوده، ماده یا بیش از حد نرم و غیرمنسجم میشود، یا به سمت شکنندگی میرود. این حساسیت نشان میدهد که ماده نهایی، حاصل یک تعادل دقیق میان پیوندهای مولکولی طبیعی و نیروهای خارجی است.
ساختاری شبیه چوب، اما با عملکردی فراتر
در سطح میکروسکوپی، ماده جدید ساختاری لایهلایه و جهتدار دارد؛ ساختاری که از نظر معماری داخلی به چوب شباهت دارد. در هر دو، الیاف در یک جهت خاص سازماندهی شدهاند و نیروهای واردشده را در کل ساختار پخش میکنند. اما تفاوت مهم در عملکرد مکانیکی است. آزمایشها نشان دادهاند که این ابریشم فشردهشده در آزمونهای کشش و ضربه، عملکردی بهتر از چوب و حتی استخوان از خود نشان داده است. این ویژگی بهویژه در «چقرمگی» (Toughness) اهمیت دارد؛ یعنی توانایی ماده برای جذب انرژی قبل از شکست. در این شاخص، ماده جدید حتی با برخی کامپوزیتهای صنعتی پیشرفته رقابت میکند.
رقابت با کامپوزیتهای صنعتی و کولار
یکی از برجستهترین نتایج، عملکرد این ماده در برابر ضربه است. مواد کامپوزیتی فیبر کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymers) که در صنایع هوافضا، خودروهای مسابقهای و تجهیزات ورزشی استفاده میشوند، به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا مشهور هستند.
با این حال، ابریشم فشردهشده در برخی آزمایشهای ضربهای عملکردی فراتر از این مواد نشان داده است. این موضوع نشان میدهد که یک ماده طبیعی، در صورت پردازش صحیح، میتواند وارد رقابت مستقیم با پیشرفتهترین مواد صنعتی شود. در برخی شاخصها نیز این ماده به «کولار» (Kevlar) نزدیک شده است؛ مادهای که بهطور گسترده در تجهیزات حفاظتی و جلیقههای ضدگلوله استفاده میشود.
ویژگیهای نوری غیرمنتظره
فراتر از خواص مکانیکی، این ماده ویژگیهای فیزیکی جالبی در حوزه امواج الکترومغناطیسی دارد. پژوهشگران دانشگاه میشیگان دریافتند که ساختار فشرده ابریشم میتواند امواج «تراهرتز» (Terahertz radiation) را قطبیده کند.
این امواج در محدودهای میان فروسرخ و مایکروویو قرار دارند و در فناوریهایی مانند تصویربرداری امنیتی و پزشکی استفاده میشوند. توانایی کنترل این امواج میتواند در آینده نقش مهمی در توسعه ارتباطات نسل ششم (۶G) ایفا کند. این ویژگی غیرمنتظره نشان میدهد که مادهای زیستی میتواند نهتنها در مهندسی مکانیک، بلکه در مهندسی ارتباطات نیز کاربرد داشته باشد.
چشماندازی کاربردی در زندگی و پزشکی
یکی از مزیتهای مهم ابریشم، «زیستسازگاری» (Biocompatibility) آن است؛ یعنی بدن انسان معمولاً واکنش شدیدی نسبت به آن نشان نمیدهد. آزمایشهای انجامشده روی نمونههای حیوانی نشان دادهاند که این ماده واکنشهای ایمنی خفیفی ایجاد میکند که بهتدریج کاهش مییابند.
نکته مهمتر، قابلیت تنظیم سرعت تجزیه ماده است. بسته به میزان فشردگی الیاف، میتوان ساختاری طراحی کرد که سریع تجزیه شود یا برای مدت طولانی در بدن باقی بماند. این ویژگی در پزشکی بازساختی (Regenerative Medicine) اهمیت دارد، زیرا میتوان از آن برای ترمیم بافتها یا حمایت موقت از استخوانها استفاده کرد. توانایی تنظیم خواص مکانیکی و زیستی، این ماده را به گزینهای انعطافپذیر برای کاربردهای مختلف تبدیل میکند. در پزشکی، میتوان از آن برای ساخت ابزارهای تثبیت شکستگی مانند پیچها و صفحات پشتیبان استفاده کرد. در مهندسی نیز ترکیب استحکام بالا، وزن پایین و قابلیت تجزیه طبیعی، آن را به جایگزینی بالقوه برای بسیاری از مواد نفتپایه تبدیل میکند. این موضوع در شرایطی که جهان به سمت کاهش اثرات زیستمحیطی حرکت میکند، اهمیت دوچندان دارد.
بازتعریف آینده یک ماده باستانی
این پژوهش نشان میدهد که ابریشم هنوز ظرفیتهای کشفنشدهای دارد. این ماده که زمانی فقط برای پوشاک و تزئینات استفاده میشد، اکنون میتواند در قلب فناوریهای پیشرفته قرار گیرد. ترکیب سادگی طبیعی و مهندسی دقیق، ابریشم را از یک ماده سنتی به یک ابرماده زیستی تبدیل کرده است. اگر این مسیر توسعه ادامه یابد، ممکن است در آیندهای نهچندان دور، ابریشم نه بهعنوان نماد ظرافت، بلکه بهعنوان یکی از ستونهای اصلی فناوریهای نوین شناخته شود.
انتهای پیام/
