چند سازه‌ها: پايه‌ي معماري طبيعت
چگونه مي‌توان موادي را که سست و شکننده‌اند به موادي سخت و نيرومند دگرگونه کرد؟ با گزينش آميزه‌اي درست از فلزها، رشته‌ها، پلاستيک و سراميک مي‌توانيد به ماده‌ي مورد نظر خود دست پيدا کنيد. دانشمندان علم مواد اين مخلوط را چندسازه(composite) مي‌نامند. ما نه تنها در جهان چندسازه زندگي مي‌کنيم، بلکه خود نيز به گونه‌اي چندسازه هستيم. گياهان، جانوران و حشره‌هايي که پيرامون ما زندگي مي‌کنند نيز چندسازه هستند. دانشمندان تلاش مي‌کنند با الگوبرداري از چندسازه‌هاي طبيعي، چندسازه‌هايي بسازند که با طبيعت سازگارتر باشند.
بين يک راکت تنيس بسيار سبک و يک فضاپيما چه ارتباطي وجود دارد؟ پاسخ اين است که هر دو فراورده‌ي فن‌آوري ديرينه‌اي هستند که پيشينه‌ي آن به زمان تمدن‌هاي باستاني بازمي‌گردد. بيش از 2 هزار سال پيش، معماران باستان کشف کردند که مي توان با افزودن کاه به گل رس، آجرهاي سخت و پايداري به دست آورد. اين شيوه‌ي معماري در ايران، ميان‌رودان و مصر بسيار به كار گرفته شد. در سده‌هاي ميانه(قرون وسطي) معماران اروپايي ديوارها را با روکشي مي‌پوشاندند که از گل و مو تشکيل شده بود.
امروزه ، ما اين نوع مخلوط را چندسازه(composite) مي‌ناميم. طي پنجاه سال گذشته، مهندسان و دانشمندان علم مواد(موادشناسان) آموخته‌اند موادي مانند سراميک‌هاي سخت و رشته‌هاي تيتانيوم را جاي‌گزين گل و کاه کنند و به شيوه‌هايي مشابه شيوه‌هاي نياكانمان، چندسازه‌هايي بسيار سخت و سبک بسازند. اين چندسازه‌ها براي ساختن همه چيز، از راکت‌هاي تنيس گرفته تا فضا پيماها، به كار مي‌آيند.
چند سازه‌ها به طور معمول با جاي دادن رشته‌ها يا ذره‌هايي از ماده‌اي ديگر ساخته مي‌شوند. در نخستين چندسازه‌هاي دست بشر، اين ماده‌اي زمينه اي، گل رس بود. امروزه، ماده‌ي زمينه مي‌تواند فلز، گونه‌اي بسپار(پليمر) يا حتي سراميک باشد. در هر صورت، ماده‌ي زمينه مانند چسب كار مي‌کند و خرده‌هاي چندسازه را به هم مي‌چسباند. خرده‌ها، يعني رشته‌هاي کربن يا ذره‌هاي سراميک، نيز مانند کاه باعث سختي و پايداري چندسازه مي‌شوند.
ويژگي‌هاي يک چندسازه فراتر از ويژگي‌هاي خرده‌هاي سازنده‌اش است. براي نمونه، يکي از معمولي‌ترين چند سازه‌هاي امروزي GRP يا glass reinforced plastic است. اين چندسازه از هزاران رشته‌ي شيشه‌اي ميکروسکوپي ساخته شده است که در زمينه‌اي از بسپار رزين جاي گرفته‌اند. شيشه، شکننده و بسپار رزين بسيار انعطاف‌پذير است. با وجود اين، GRP هم سخت و هم پايدار است. اين چند سازه، ماده‌ي اوليه‌ي بسيار خوبي براي ساختن بدنه‌ي قايق‌هاي بادباني مسابقه‌اي است.
چندسازه‌هاي طبيعي
اگر چه مواد شناسان تنها در چند دهه‌ي گذشته به سوي چندسازه‌ها گرايش پيدا كرده‌اند، طبيعت در خود چندسازه‌هاي بسيار سخت، پيچيده و گوناگوني دارد که از ديدگاه سختي و وزن، مانندي براي آن‌ها نمي‌توان يافت. به هر جاي طبيعت که مي‌نگريم، با يک چندسازه رو به رو مي‌شويم. براي نمونه، صدف‌هاي دريايي از چندسازه‌ي سراميکي سختي ساخته شده‌اند. اين سراميك از لايه‌هايي از بلورهاي سخت تشکيل شده که در زمينه‌ي سيماني نرم‌تري جاي دارند. اين سراميك سخت و پايدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداري مي‌کند که پيوسته آن را بر سطح سخره‌ها مي کوبد.
چوب نيز نوعي چندسازه است. اين چند سازه از رشته‌هاي سخت سلولوز تشکيل شده که درون بسپاري نرم به نام پکتين(Pectin) جاي گرفته‌اند. بدون چند سازه‌ها ما نمي توانيم به پا خيزيم. بدن ما پر از چند سازه است. استخوان‌هاي ما از سخت‌‌ترين چندسازه ها هستند. ديواره‌ي رگ‌ها ، زردپي‌ها و رباط‌ها نيز از چندسازه‌ها درست شده اند. پوست سخت حشره‌ها نيز نوعي چند سازه است. روي هم رفته، پايه‌ي معماري طبيعت بر چندسازه هاست.
بشر از ساليان دور از چندسازه‌هاي طبيعي بهره گرفته است. کاه که براي ساختن نخستين چندسازه‌ها به كار مي‌رفت، خود نوعي چندسازه است. ابزارهاي چوبي، کفش و لباسي که از پوست جانوران تهيه مي‌شود، همه چندسازه‌هاي طبيعي‌اند. به خاطر اين گوناگوني و ويژگي‌هاي بي‌مانند، موادشناسان تلاش مي‌کنند از اين مواد براي سختي بخشيدن به چندسازه‌هاي ساختگي(مصنوعي) بهره گيرند تا از پيامدهاي زيست محيطي ناگوار ناشي از مواد ساختگي بکاهند.
رشته هاي جادويي
در اغلب جانوران پر سلولي، از جمله انسان، رشته‌هاي پروتئيني محکمي به نام کلاژن (collagen) به عنوان اسکلت مولکولي بدن كار مي‌کنند. اين رشته‌ها در استخوان، زردپي‌ها، رباط‌ها ، غضروف و پوست يافت مي‌شوند. يک رشته‌ي کلاژن، مانند قطعه‌اي از طناب از رشته‌هاي کوچک‌تري تشکيل شده است که به دور يکديگر پيچيده‌اند.
يك مولكول كلاژن از سه زنجيره ي پروتئيني تشكيل شده كه به دور يك ديگر پيچيده‌اند و هر كدام از واحدهاي كوچك‌تري به نام اسيدآمينه تشكيل شده‌اند. مولكول‌هاي كلاژن به گونه‌اي ويژه كنار يكديگر آرايش مي‌يابند و يك ريز رشته را مي‌سازند. تعداد زيادي از اين ريز رشته‌ها به دور يكديگر مي‌پيچند تا يك رشته‌ي كلاژن ساخته شود.
ساختمان مولكولي و اتمي يك رشته‌ي كلاژن
رشته‌هاي كلاژن با مواد گوناگوني در هم مي‌آميزند مي‌شوند و چندسازه‌هايي با توانايي‌هاي ويژه مي‌سازند. براي نمونه، كلاژن در استخوان با بلورهاي كلسيم در هم مي‌آميزد و ساختار سختي مي‌سازد. در نگاهي دقيق‌تر، استخوان مانند يك بتون مسلح به نظر مي‌رسد كه رشته‌هاي كلاژن آن مانند ميل‌گردهاي فولادي بتون، درون سيماني از بلورهاي هيدروكسي آپاتيت Ca10(PO4)6(OH)2 و پروتئين‌هاي نارشته‌اي از جمله اوستئوپونتين(osteopontin) و اوستئوكلسين(osteocalcin)جاي گرفته‌اند. رشته‌هاي كلاژن مانند ميل‌گردهاي بتون مسلح، استخوان را در برابر ضربه پايدار مي‌سازند و سيمان اين بتون (بلورهاي كلسيم + پروتئين هاي نارشته‌اي) بر پايداري آن در برابر فشار مي‌افزايد.
اگر مقدار رشته‌هاي كلاژن استخوان كاهش يابد، استخوان به اصطلاح پوك مي شود و با كوچك‌ترين ضربه‌اي مي شكند و اگر ماده‌اي سيماني استخوان به گونه‌اي درست توليد نشود (براي نمونه، كلسيم به مقدار كافي جذب استخوان نشود) پايداري استخوان در برابر فشار كاهش مي‌يابد. چنين استخوان نرمي، تحمل وزن بدن را از دست مي‌دهد و كج مي‌شود. اين وضعيت در كودكاني ديده مي‌شود كه به مقدار كافي كلسيم دريافت نمي‌كنند يا به علت نقص ژنتيكي، كلسيم به مقدار كافي جذب استخوان‌هايشان نمي‌شود.
استخوان كه يك چندسازه به شمار مي‌رود، با بتون مسلح دو تفاوت اساسي دارد. نخست اين كه زنده است . لابه‌لاي ماده‌ي زمينه‌اي استخوان كه در واقع چند سازه‌اي از رشته‌هاي كلاژن و بلورهاي كلسيم است، سلول‌هاي استخواني قرار دارند كه پيوسته استخوان را نوسازي مي‌كنند. ديگر آن كه اين چند سازه بسيار سخت‌تر و ماندگارتر است و ماندگاري را بيش‌تر از زنده بودن خود و نوسازي پيوسته به ارمغان مي‌برد.
مولكول‌هاي شيشه شور
در غضروف‌ها، كلاژن در ماده‌ي زمينه‌اي ژل مانندي قرار مي‌گيرد و چندسازه‌اي با ويژگي‌هاي گوناگون به دست مي‌آيد. اين چندسازه در محل مفصل‌ها باعث كاهش اصطكاك مي‌شود و مانند فنر در خودروها، شوك حاصل از ضربه‌ها را كاهش مي‌دهد. افزون بر اين، به خاطر انعطاف‌پذيري ويژه‌اي كه دارد به عنوان ماده‌ي اصلي سازنده‌ي بخش بيروني گوش، نوك بيني و اسكلت جنين به كار رفته است.
ماده‌ي زمينه‌ي اين چندسازه ازمولكول‌هايي به نام پروتئوگليكان(proteoglycan) تشكيل شده است. مولكول‌هاي پروتئوگليكان اسكلت پروتئيني ميله‌اي شكلي دارند كه شاخه‌هاي بسياري از جنس كربوهيدرات به آن متصل هستند، اين ساختمان به يك برس شيشه‌شور مي‌ماند. زنجيره‌هاي قندي پروتئوگليكان‌ها بارهاي منفي فراواني دارند و بنابراين ابر متراكمي از كاتيون‌ها (مانند + Na) در پيرامون آن‌ها شكل مي‌گيرد. اين ابر باعث مي‌شود مقدار زيادي آب به ماده‌ي زمينه جذب شود و محيط ژل مانندي را فراهم كند كه براي تحمل فشار بسيار مناسب است. رشته هاي كلاژني كه در اين محيط پر آب جاي دارند باعث مقاومت چندسازه در برابر كشش مي‌شوند.
غضروف گوش خارجي نسبت به غضروف مفصل زانو به انعطاف‌پذيري بيش‌تري نياز دارد. رشته‌هاي كشساني در غضروف گوش وجود دارد كه از پروتئيني به نام الاستين(elastin)ساخته شده‌اند. رشته‌هاي الاستين در ديواره‌ي رگ‌ها و پوست نيز وجود دارند و به اين چند سازه‌ها خاصيت كشساني مي‌بخشند. بنابراين، پروتئين‌هاي رشته‌اي كلاژن و الاستين با قرار گرفتن در ماده‌ي زمينه‌اي گوناگون، چند سازه‌هايي با ويژگي‌هاي جادويي مي‌آفرينند. البته، آرايش رشته‌هاي پروتئيني نيز در تعيين ويژگي‌هاي چند سازه‌هاي بدن مؤثر است. براي نمونه، در رباط‌ها و زردپي‌ها، رشته‌هاي كلاژن با آرايش منظمي از درازا كنار يكديگر رديف شده‌اند. اين آرايش به دسته كردن چند تركه‌ي چوب مي‌ماند كه شكستن آن‌ها را دشوار مي‌سازد.
چند سازه ي گياهي
برخلاف سلول‌هاي جانوري، سلول‌هاي گياهي را ديواره‌ي سختي به نام ديواره‌ي سلولي در برمي‌گيرد. اين ديواره به پيكر گياهان سختي و پايداري مي‌بخشد. بدون اين ديواره، گياهان مانند ژله بر سطح زمين پهن خواهند شد. اين ديواره نيز گونه‌اي چندسازه است. در اين چندسازه، رشته‌هاي بسيار سخت سلولوز در زمينه‌اي از پكتين، همي‌سلولوز و ليگنين قرار گرفته‌اند.
الگو برداري از طبيعت
مادر طبيعت، مواد ساده‌اي مانند قند و پروتئين را بر مي‌گزيند و با آميختن آن‌ها با يكديگر، تركيب‌هاي پيچيده‌‌اي مي‌سازد كه اغلب چند نقش مهم از خود به جا مي‌گذارند. اما آدمي از تركيب‌هاي پيچيده به عنوان ماده‌ي اوليه استفاده مي‌كند و آن‌ها را به شيوه‌اي ساده با هم مخلوط مي‌كند، به اميد اين كه چيز خوبي از آن‌ها به دست آورد. شكي نيست كه ما چيزهاي خوبي براي خودمان ساخته ايم. اما هنوز نمي‌توانيم چنان كنيم كه طبيعت هر روز انجام مي‌دهد.
اغلب سازه‌هايي كه بشر ساخته است به خوبي چندسازه‌هاي طبيعي نيستند، زيرا مادر طبيعت طي ميليون‌ها سال تكامل جانداران، ويژگي‌هاي اين مواد را بهبود بخشيده است. از اين رو، شمار فراواني از دانشمندان علم مواد تصميم گرفته‌اند با الگوبرداري از طبيعت، چندسازه‌هايي بسازند كه ويژگي‌هاي بهتري داشته باشند. اين چند سازه‌ها با طبيعت نيز مهربان‌تر هستند. در ادامه فهرستي از تازه‌ترين دستاوردهاي پژوهشگران معرفي مي‌شود:
1. انويرون(environ): اين چند سازه از 40 درصد كاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سويا و 20 درصد تركيب‌هاي ديگر (از جمله رنگ‌دهنده‌ها و كاتاليزگري كه در حضور آب كارا مي‌شود و گرد سويا را به رزين دگرگونه مي‌كند) ساخته مي‌شود. فراورده‌ي كار، يك چندسازه‌ي زيستي است كه ظاهري سنگ مانند دارد، اما مانند چوب مي‌توان آن را بريد. از اين چندسازه مي‌توان هر نوع ابزار چوبي را با ظاهري سنگ مانند ساخت.
2. پلاستيك چوبي: در اين نوع چندسازه، رشته‌هاي سلولوزي به دست آمده از كاغذ روزنامه يا خاك‌اره درون رزين‌هاس حساس به دما مانند پلي پروپيلن، پلي اتيلن، پلي استيرن و پلي وينيل كلريد(PVC) جاي مي‌گيرند. از اين نوع چند سازه مي‌توان در بدنه‌ي خودرو و بخش‌هاي دروني آن و نيز در لوازم خانگي از جمله دسته‌ي قيچي، دسته‌ي قلم مو و پوشش ديسكت‌هاي رايانه بهره گرفت. در اين حالت، فراورده‌هايي در اختيار داريم كه ظاهري چوب مانند دارند، اما ويژگي‌هاي پلاستيك را از خود نشان مي‌دهند.
3. چندسازه‌ي الكترونيك: در اين نوع چندسازه مواد زنده(پروتئين‌هاي باكتري‌ها و ويروس‌ها و رشته‌هاي DNA) با مواد معدني (ذره‌هاي فلز و نيمه رساناها) درهم مي‌آميزند و چندسازه‌ي ظريفي به دست مي‌آيد كه مي‌توان از آن براي توليد تراشه‌هاي رايانه‌اي بسيار كوچك و ديگر ابزارهاي الكترونيك بهره گرفت. در واقع، اين چند سازه‌ها حلقه‌ي ارتباطي شيمي معدني و زيست‌شناسي مولكولي هستند.
به تازگي انجلا بلچر(Belcher) و ساندرا ولي(Whaley) از ويروس‌ها، پروتئين‌هاييبه دست آورده‌اند كه با گاليم، آرسنيد، سيلسيم، ينيديوم فسفيدها و روي‌سلنيد تركيب مي‌شوند. آنان با بررسي بيش از 100 ميليون ويروس به اين پروتئين‌ها دست يافتند و با بهره‌گيري از ساز و كارهاي تكامل، پروتئين‌هايي را گزينش كردند كه به نيمه‌رساناها مي‌پيوندند. سپس اين پروتئين‌ها را با استفاده از باكتري‌ها به توليد انبوه رساندند. به اين ترتيب، آن ها به مواد اوليه‌ي چند سازه‌اي دست پيدا كردند كه اميد مي‌رود دنياي الكترونيك را دگرگون كند.
4. چند سازه‌اي كه خود را بازسازي مي‌كند: پژوهشگران دانشگاه اليسون، كپسول‌هاي بسيار ريزي را همراه كاتاليزگر ويژه، درون زمينه‌ي يك چندسازه جاي داده‌اند. اين كپسول‌ها حاوي مواد ترميم كننده هستند كه با شكسته شدن چند سازه و از هم پاشيدن كپسول‌ها آزاد مي‌شوند. هنگامي كه اين مواد با كاتاليزگر موجود در زمينه‌ي چندسازه برخورد پيدا كنند، به فرايند بسپارش وارد مي‌شوند و شكستگي را بازسازي مي‌كنند. باتوجه به اين كه برخي از شكستگي‌ها درعمق يك ساختار به وجود مي‌آيند وتشخيص و ترميم آن‌ها بسيار دشوار است، اين چند سازه‌ها مي‌توانند كاربردهاي گسترده‌اي در الكترونيك، صنايع هوايي و فضايي داشته باشند. اين چند سازه‌ها با الگوبرداري از خاصيت ترميم پذيري چند سازه‌هاي زيستي طراحي شده‌اند.
5. چند سازه‌اي براي استخوان: پژوهشگران تلاش مي كنند تا با استفاده از بلورهاي هيدروكسي آپاتيت، مولكول‌هاي كلاژن و ديگر اجزاي مورد نياز، چند سازه‌اي بسازند كه بتوان از آن براي ترميم يا جايگزيني استخوان‌ها استفاده كنند.
نتيجه
ويژگي‌هاي يك چند سازه فراتر از ويژگي‌هاي خرده‌هاي سازنده‌ي آن است. با وجود اين، براي به دست آوردن چندسازه‌اي با ويژگي‌هاي مورد نظر، يك شيمي‌دان بايد ويژگي‌هاي موادي را كه مي‌خواهد در چندسازه بگنجاند به خوبي بشناسد. در واقع ، كار او شناخت ويژگي‌هاي مواد و تركيب ويژگي‌ها براي به دست آوردن ويژگي‌هاي تازه است. بنابراين، افزايش شناخت ما از ساختمان و ويژگي‌هاي موادي كه در جهان زنده يافت مي‌شود، مي‌تواند ما را به سوي چندسازه‌هايي رهنمون شود كه افزون بر داشتن ويژگي‌هاي جادويي، دوست خوبي براي طبيعت نيز باشند.
منبع:
1.Tom Matthams.Perfect partnerships. New scientist 2001 20 January
2. http://www.buildinggreen.com/
3. Whaley, Sandra R.; English, D. S.; Hu, Evelyn L.; Barbara, Paul F.; Belcher, Angela M.. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly. Nature (London) (2000), 405(6787), 665-668.
4. Mimicking Biological Systems, Composite Material Heals Itself. ScienceDaily
http://pnu-club.com/imported/2009/04/1927.jpg
http://pnu-club.com/imported/2009/04/1928.jpg
http://pnu-club.com/imported/2009/04/1929.jpg
http://pnu-club.com/imported/2009/04/1930.jpg
http://pnu-club.com/imported/2009/04/1931.jpg
منبع: جزيره ي دانش
