העקרב והספוג מציגים: חומר למחשבה

המין האנושי אינו היחיד שעסוק בשאלות של קיימות – גם הטבע "מהרהר" בעניין, ואם להודות על האמת, הוא מצא פתרונות אלגנטיים למדי מיליוני שנים לפני שהתחלנו לחשוד שקיימת בכלל בעיה. במחקר חדש, הראו מדעני מכון ויצמן למדע כיצד אסטרטגיות תכנון ובנייה טבעיות של יצורים קדמונים כמו עקרבים וספוגי ים, עשויות לשפר את העמידות של חומרים מעשה ידי אדם ולסלול את הדרך לעתיד ירוק יותר.

"הייתי מגדיר 'קיימות' כמענה על צרכי ההווה, מבלי לפגוע במשאבים של דורות העתיד", אומר פרופ' דניאל וגנר מהמחלקה לכימיה מולקולרית ולמדע החומרים במכון אשר חוקר כבר כמה עשורים את תכונותיהם המכניות של חומרים טבעיים. "החומרים בטבע התעצבו והתפתחו לאורך מיליוני שנים בסביבות המאופיינות במשאבים מוגבלים ובתנאים קשים. לכן, אפשר בהחלט לומר כי המבנים הביולוגיים סביבנו – מצמחים ועד שלדים של יצורים שונים – הם בהגדרה 'ירוקים' או 'בני קיימא'".

""לבעלי-חיים יש שלל אסטרטגיות לחיסכון באנרגיה. בבואנו לפתח חומרים עמידים ובני-קיימא, יש לנו הרבה מה ללמוד מהם"

מעבר של האנושות לחומרים בני קיימא הוא אחד המפתחות להבטחת עתידנו בכדור-הארץ שכן ביכולתם של חומרים אלה לצמצם הן את הצטברות הפסולת בעולמנו והן את צריכת האנרגיה. ואולם בעולם התכנון, כל ניסיון לקדם תכונה רצויה של חומר, מוביל, בדרך כלל, להתפשרות על אחד ממאפייניו האחרים; כך, למשל, שיפור בקשיחות (toughness, או עמידות לשבר) של חומר יוביל בדרך כלל לתוספת במשקל או לירידה בחוזק, ולהיפך. "הטבע, לעומת זאת, מוצא פתרונות מדהימים לאיזון בין כל המאפיינים הרצויים, וחומרים אורגניים יודעים להציג קשיחות ועמידות לצד חוזק וקלות משקל", אומר ד"ר ישראל גרינפלד שהיה במשך שנים מהנדס תעופה והגיע לקבוצת המחקר של פרופ' וגנר כדי לשאוב השראה הנדסית מהטבע.

במחקר החדש, חקרו פרופ' וגנר וד"ר גרינפלד שני חומרים מרוכבים טבעיים וקשיחים במיוחד: השלד החיצוני של העקרב והשלד הפנימי של ספוג הים. המדענים גילו שסוד עמידותם נובע ממבנה רב-שכבתי הכולל שינוי הדרגתי בתכונות בין שכבה לשכבה – אסטרטגיה שכמעט אינה בשימוש בייצור חומרים מלאכותיים. בשני היצורים, לכל שכבה יש עובי שונה – ובשלד העקרב אשר מורכב מלא פחות משמונה רמות מבניות שונות, השכבות הפנימיות גמישות יותר מהחיצוניות.

החוקרים הראו כי הן בספוגים והן בעקרבים דירוג השכבות מאפשר לתכונות הנחשבות מנוגדות, כמו קשיחות וחוזק, לדור בכפיפה אחת ולסייע לספוגים ולעקרבים לעמוד באתגרים השונים שאיתם הם מתמודדים. הממצאים בעקרבים התבססו על עבודתו של ד"ר ישראל קלרשטיין, לשעבר דוקטורנט בקבוצתו של פרופ' וגנר.

להסיט את השבר

התכנון הרב-שכבתי הופך את השלדים של עקרבים וספוגים לא רק לחזקים יותר אלא גם לעמידים במיוחד לסדקים. אמנם ישנם הבדלים במבנה ובהרכב הכימי של השלדים, אך בשני היצורים מצאו החוקרים את אותו עיקרון-על: אסטרטגיה של הסטת השבר. ברגע שמתגלה ולו הרמז הראשון לסדק בשלד, המבנה המדורג "מעודד" את הסדק לשנות את מסלולו כך שיתפרש על פני-השטח, במקום לחדור פנימה ולגרום נזק מבני רב ואף קריסה.

כדי להבין לעומק כיצד עובד עיקרון הדירוג, נעזרו החוקרים במודל קיים במכניקת השבר - תחום מחקר שעוסק, ובכן, באופן שבו דברים נשברים. המודל הראה שללא דירוג, היו העקרב והספוג נדרשים לנקוט באסטרטגיות "בזבזניות" הרבה יותר – למשל להשתמש בהרבה יותר חומר – כדי להשיג את אותה רמת הגנה.

אך החוקרים לא עצרו בתיאור הקיים והראו גם כי ניתן להשתמש באסטרטגיות אלה בדרכים שאותן הטבע עדיין לא גילה. "באמצעות המודל, הצלחנו לשחק עם דירוג השכבות באופנים שהעקרב והספוג עדיין לא 'חשבו' עליהם", אומר ד"ר גרינפלד.

יבוא עקרונות טבעיים כמו דירוג שכבות לעולם העיצוב והנדסה מהווה אתגר לא מבוטל. "זהו סוג תכנון שהוא חדשני בכל הרמות", אומרים החוקרים, "מבנים ביולוגיים מתחילים 'מלמטה' - מאבני בניין ננומטריות שמתחברות למבנים מיקרוסקופיים, ולאחר מכן למבנים גדולים ומורכבים יותר ויותר – בעוד שבהנדסה לא נהוג להתחיל את הבנייה ברמה המולקולרית". אך בעוד מבנה שלד העקרב מורכב במיוחד, מיקרו-מבנים טבעיים אחרים, ובהם גם זה של שלד הספוג, הינם פשוטים יותר וייתכן כי ניתן יהיה ליישם את העקרונות שלהם בהנדסת חומרים בקלות רבה יותר.

מלבד דירוג שכבות, שלד הספוג גם חסין יותר מפני סדקים באמצעות ערבוב בין חומרים שבריריים ופריכים לחומרים רכים יותר. "זהו חומר קרמי שעשוי למעשה מסיליקה, לא בדיוק החומר שאתה מצפה ממנו להפגין עמידות רבה לשברים", אומר פרופ' וגנר.

הבנה טובה יותר של האסטרטגיות הננקטות בטבע תוכל לסייע למהנדסים לפתח חומרים קשיחים ועמידים יותר – שבהם אפשר יהיה להשתמש בתחומים רבים, מבניין ועד תעשיית התעופה. "ליצורים חיים יש שלל אסטרטגיות להתמודד עם כוחות חיצוניים באופן שיצרוך כמה שפחות אנרגיה", מסכם ד"ר גרינפלד. "בדיוק בשל כך יש לנו כל כך הרבה מה ללמוד מהטבע, בבואנו לפתח חומרים עמידים ובני-קיימא".