جل يعطي قوة للعضلات الصناعية

مادة جديدة للعضلات الصناعية والأسلحة التي تجتاح على غرار الطبيعة

تشكل المادة الهجينة النشطة HAIRS-1 عضلة صناعية تنتقل من اليسار إلى اليمين. يمكن اعتبار هذه النظم النانوية المحاكاة الحيوية النشطة عوامل دقيقة أو في ميكروفلويديك في المستقبل. © معهد ماكس بلانك للغرويات والواجهات
قراءة بصوت عال

بالنسبة للرياضي ، لا تشكل العضلات الهلامية سببًا للبهجة - بالنسبة لعلماء المواد ، فقد قاموا بتطوير مادة إبرة من الهلام والسيليكون تعمل مثل العضلات. كما أبلغ الباحثون في العدد الحالي للعلوم ، فإنهم يستخدمون مبدأ بسيط ولكنه فعال للغاية للطبيعة. لقد استخدموا قدرة المواد الهلامية على امتصاص وتوزيع الماء أثناء القيام بالأعمال الميكانيكية تمامًا كما تفعل النباتات.

من نفس المادة الفعالة ، تمكن علماء المواد في معهد ماكس بلانك للغرويات والواجهات في بوتسدام ومختبرات بيل الأمريكية من بناء أذرع تجتاح نانوية الحجم في الخطوة التالية.

يبدو أن بعض الزهور تفتح أبوابها نهارًا وتغلق فور حلول الظلام مرة أخرى. يبدو أن لديهم عضلات. في الواقع ، مع ذلك ، فإن المواد الشبيهة بالهلام تحرك البتلة عن طريق الانتفاخ أو الانكماش حسب الرطوبة. في الطبيعة ، لا تستخدم الأزهار هذه الآلية الهيدروليكية فقط ، ولكن أيضًا مخروطات الصنوبر أو الطماطم النافرة.

يستخدم العلماء الآن هذه الآلية لمواد جديدة تسمى HAIRS (هياكل صلبة ذات أبعاد عالية هيدروجيل) - أنظمة هجينة مصنوعة من إبر السيليكون بحجم النانومتر وهيدروجيل. يقول البروفيسور بيتر فراتزل ، مدير معهد ماكس بلانك للغرويدات والواجهات: "الميزة الخاصة للمادة الهجينة هي مزيج من الأجسام الصلبة وغير المرنة ، وإبر السيليكون ، مع عناصر التوصيل المرنة والناعمة ، الهلام". هذا يخلق مادة نشطة ، لذلك يمكن أن مضمون العمل. بناءً على الرطوبة ، يغير الهلام سطحه - يتقلص أو يتضخم ، وبالتالي يغير اتجاه إبر السيليكون. باستخدام هذا المبدأ البسيط ، أنتج العلماء مادتين مختلفتين: HAIRS-1 و HAIRS-2.

في HAIRS-1 ، يتم توزيع إبر السيليكون في الجل ومحاذاة في نفس الوقت. قم بتقليص الجل معًا ، واسحبه على إبر السيليكون وقم بإمالة الجانب. المواد تتصرف مثل العضلات الاصطناعية. في HAIRS-1 ، يتم إبر إبر السليكون فقط في الجل ، بينما في الإبر HAIRS-2 يتم تثبيت الإبر بشكل ثابت على سطح السيليكون. مع التأثير التالي: "على عكس HAIRS-1 ، لا يمكن لإبر السيليكون HAIRS-2 أن تميل عندما ينكمش الجل" ، يوضح فراتزل. في HAIRS-2 ، يجب أن تنحني الإبر - أربعة من الإبر المتجاورة تنحني تجاه بعضها البعض لتشكيل القابض ذو الأربعة أسلحة. عرض

تجتاح حركة عكسها تماما

ينتج عن هذا الترتيب المعين أن قوى الشعيرات الدموية تحدث عندما ينكمش الجل. يتصرف الجل مثل الماء على سطح - فهو يسعى جاهداً لتقليل توتر السطح. لذلك ، توجد قطرة جل بين الإبر الأربعة ، التي تشكل حجر الزاوية ، إذا جاز التعبير. إذا تقلص الهلام ، يتم سحب الإبر في الزوايا إلى الداخل ، مما يؤدي إلى القابض ذي الأربعة أذرع. إن حركة الإبر التي تجتاحها قابلة للانعكاس تمامًا - عندما يصبح الجل رطبًا مرة أخرى ، فإنها تتسع وتعود الإبر إلى وضع مستقيم.

لإنتاج المواد الهجينة ، قام العلماء أولاً بحفر غابة من السيليكون تنبعث في رقاقة سيليكون. يبلغ سمك إبر السيليكون المستقيمة مائة إلى ثلاثمائة نانومتر فقط ويبلغ طولها من خمسة إلى ثمانية ميكرومترات فقط. أنها تغطي سطح رقاقة السيليكون على مسافة منتظمة من بضعة ميكرومتر. بعد ذلك ، قام العلماء بملء هذا الهيكل المشابه للمشط بهلام يرتبط ارتباطًا كيميائيًا بإبر السيليكون. بالنسبة إلى HAIRS-1 ، قام العلماء أخيرًا بتكسير إبر السليكون من الركيزة - ثم تحتوي الإبر على بنية مرتبة ، ولكن يتم تثبيتها فقط بواسطة الهلام.

إمكانيات تطبيق متنوعة

تم الاعتراف بالمبدأ الميكانيكي الذي وفقًا لأعمال HAIRS-1 من قبل المهندس المعماري والمهندس المعماري الأمريكي ريتشارد بوكمنستر-فولر (1895-1983). مباني Buckminster-Fuller مبنية من أعمدة صلبة مع أشرطة مرنة. هذه الهياكل مرنة ومستقرة حتى الآن: فهي تتحمل أحمال الرياح والثلوج الكثيفة. قدم لهذا المبدأ مصطلح Tensegrit t (التوتر من أجل التوتر والنزاهة من أجل النزاهة أو القوة). أدرك علماء الأحياء لاحقًا أن السلوك الميكانيكي للخلايا يتبع مبدأ التوتر.

ومع ذلك ، فإن المادة الهجينة الجديدة هي أول مادة نشطة تستخدم هذه الطريقة المستمدة من الطبيعة. يقول فراتزل: "لقد استلهمنا البيولوجيا من هذه المادة الفعالة ، ويمكن استخدامه في أجهزة دقيقة أو في ميكروفلويديك".

(idw - MPG ، 29.01.2007 - DLO)