|
|
مواد الهامگرفته از زیست میتوانند ضربه را تاب بیاورند
- دانشمندان یک مادهی جدید مقاوم در برابر ضربه را بر پایه اسکلت بیرونی میگوی مانتیس (Mantis Shrimp) توسعه دادهاند.
- این میگو به دلیل وجود ساختارهای منحصربهفرد در اسکلت بیرونی خود، قادر به وارد کردن ضربههای بسیار قدرتمند است. پژوهشگران مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) نسخههای مصنوعی از این ساختارها را ساخته و مقاومت ضربهای آنها را با شلیک ریزپرتابهها مورد آزمایش قرار دادهاند.
- این ساختارهای الهامگرفته از طبیعت میتوانند برای ساخت مواد جدید مقاوم در برابر ضربه در صنایع هوافضا و سایر کاربردهای پیشرفته مورد استفاده قرار گیرند.
- برخی از نوآورانهترین و مفیدترین اختراعات از طبیعت الهام گرفتهاند. برای مثال، قطار گلولهای شینکانسن در ژاپن، که طراحی آئرودینامیکی آن از پرنده شاهماهی الگوبرداری شده است، یا ولکرو (پارچه چسبی)، که یک مهندس سوئیسی پس از مشاهده قلابهای ریز موجود در خارهایی که به موی سگ میچسبند، آن را اختراع کرد.
اکنون، دانشمندان برای الهام گرفتن به یک شکارچی کوچک زیرآب روی آوردهاند. میگوی مانتیس (Mantis Shrimp) یک بیمهره رنگارنگ است که میتواند ضربهای بسیار قوی وارد کند. این میگو میتواند صدف حلزونها را با نیرویی معادل گلوله .22 باز کند، که این توانایی به خاطر ساختارهای منحصربهفرد اسکلت بیرونی آن است که آن را به طرز شگفتآوری محکم میکند.
پژوهشگران مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) نسخههای مصنوعی این ساختارها را ساخته و عملکرد آنها در برابر ضربه را با شلیک ریزپرتابهها مورد آزمایش قرار دادهاند. آنها دریافتند که تنظیم مولفههای خاص این ساختارها میتواند نحوه جذب و پراکندگی انرژی ضربه را تغییر دهد.
ایده این پژوهش از سوجین لی مطرح شده است که بهعنوان پژوهشگر پسادکتری شورای ملی تحقیقات (NRC) به NIST پیوست. لی میخواست بداند چرا اندام میگوی مانتیس هنگام شکستن صدف موجودات دیگر نمیشکند. چان نیز به این موضوع علاقهمند شد و آنها پروژهای تحقیقاتی برای بررسی این مسئله آغاز کردند.
چان گفت: «وقتی یک انسان به کسی مشت میزند، دستش درد میگیرد اما در مورد میگوی مانتیس چنین اتفاقی نمیافتد»؛ البته ظاهراً چنین است. لی و چان قبلاً میدانستند که این امر به ساختارهای میکروسکوپی بوولیگان (Bouligand) در اسکلت بیرونی میگو مرتبط است.
چان افزود: «ساختارهای بوولیگان یک بستر ماده فراگیر برای مقاومت در برابر ضربه در طبیعت هستند و ما میخواستیم بیشتر درباره آنها بدانیم، بنابراین آنها را در آزمایشگاه تولید و آزمایش کردیم».
لی و چان این ساختارها را از نانوکریستالهای سلولز، که در الیاف گیاهی یافت میشوند، سنتز کردند. این نانوکریستالها به صورت خودمونتاژ به صفحات تبدیل شدند که روی هم مانند صفحات چوب چندلایه چرخشی قرار گرفتند.
این مجموعهها ساختارهای مصنوعی بوولیگان آنها را شکل دادند. سپس پژوهشگران نانوکریستالها را با استفاده از امواج صوتی با بسامد بالا تغییر دادند و آنها را به لایههای نازک تبدیل کردند که بهعنوان ماده آزمایشی استفاده شدند.
سپس مقاومت ضربهای این لایههای نازک با شلیک ریزپرتابهها با سرعتی تا ۶۰۰ متر بر ثانیه آزمایش شد. ریزپرتابهها از سیلیکا ساخته شده و با استفاده از لیزر با شدت بالا به سمت هدف شلیک شدند. پژوهشگران تصاویر برخورد ریزپرتابهها با لایهها را با استفاده از دوربین فوقسریع ثبت کردند.
نتایج و یافتههای این پژوهش، پیشرفت مهمی در طراحی مواد الهامگرفته از زیست را نشان میدهد که کاربردهایی در هوافضا، مانند کمک به فضاپیماها برای مقاومت در برابر برخورد ریزشهابسنگها و محافظت از ماهوارههای مداری در برابر برخورد با زبالههای فضایی دارد.
کاربردهای بالقوه دیگر شامل شیشههای مقاوم در برابر گلوله، مصالح ساختمانی مقاوم در برابر انفجار و کلاهخودهای با محافظت بیشتر است.
چان و همکارانش یافتههای خود را در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر کردند.
بر اساس تصاویر ثبت شده، پژوهشگران مشاهده کردند که یک ریزپرتابه میتواند یک فرورفتگی دائمی ایجاد کند و همزمان مانند توپ تنیس که به زمین برخورد میکند، بازگردد. میزان فرورفتگی و مقدار برگشت انرژی بستگی به نحوه توزیع و پراکندگی انرژی در موجهای ضربهای پس از برخورد ریزپرتابه داشت.
پژوهشگران دریافتند که میتوانند نحوه پراکندگی انرژی را با تنظیم دقیق عوامل مختلفی که بر ویژگیهای مکانیکی نمونه تأثیر میگذارند، مانند ضخیمتر کردن نانوکریستالها یا تغییر چگالی آنها کنترل کنند. آنها مشاهده کردند که ریزپرتابهها در لایههای نازک فرورفتگی دائمی ایجاد میکنند، اما لایههای ضخیمتر در بازتاب و هدایت موجهای ضربهای از برخورد عملکرد بهتری دارند.
NIST این پروژه را در چارچوب مأموریت خود برای توسعه روشهای پیشرفته اندازهگیری که میتواند برای صنعت آمریکا مفید باشد، انجام داد. پژوهشگران میتوانند از روشهای اندازهگیری توسعهیافته در این پروژه برای پیشرفت مواد مقاوم در برابر ضربه مبتنی بر ساختارهای بوولیگان و سایر انواع مواد پیشرفته با ویژگیهای ویژه استفاده کنند.
چان گفت: «این یافتهها نشان میدهد که روشهای متفاوتی برای طراحی مواد به منظور جذب ضربه وجود دارد و میتوانیم از این دانش برای خلق مواد مقاومتر و بادوامتر استفاده کنیم. اگر شما یک بوکسور در رینگ هستید، میخواهید نه فقط یک راند بلکه نه راند کامل مبارزه کنید».
- منبع خبر
https://www.nist.gov/news-events/news/2025/06/bioinspired-materials-can-take-punch
- تهیه کننده: فاطمه ارشدی مشکاتی، کارشناس مرکز اندازه شناسی، اوزان و مقیاسها
|