RSS
وبینارهای شاخه فیزیک آماری انجمن فیزیک ایران
چهارمین گردهمایی یک‌روزه بانوان در فیزیک ایران هشتمین کنفرانس فیزیک ریاضی ایران کنفرانس فیزیک ایران ۱۴۰۳
اسفنج‌های دریایی از طرح هوشمندانه‌ای بهره می‌برند که به آنها استحکام قابل توجهی داده است؛ چیزی که به تازگی دانشمندانی از آمریکا به آن پی‌برده‌اند. این تیم پژوهشی دریافته‌اند که استحکام این فیبرها ناشی از روش خاص ایجاد آن‌هاست که متشکل از حدود ۲۵ استوانه‌ی هم‌مرکز از جنس سیلیس است. پژوهش‌گران معتقدند از این طرح طبیعی می‌توان در ساخت انواع مواد مصنوعی مستحکم و ساختارهای بزرگ همچون ساختمان‌ها و هواپیماها نیز استفاده برد.
اسفنج‌های دریایی به طول ۲۰ تا ۳۵ سانتی‌متر در اعماق آب‌های اقیانوس آرامِ غربی بنام یوپلکتلا آسپرگلوم (Euplectella aspergillum) که معروف به سبد گل ونوس هستند یافت شده‌اند. استخوان‌بندی این اسفنج‌ها بواسطه‌ی هزاران سیخک (spicule) شیشه‌ای از جنس سیلیس است که محکم به کف دریا چسبیده‌اند. هریک از این سیخک‌ها حدود ۱۰ سانتی‌متر درازا دارند و از قلاب‌های روبه عقب پوشیده شده‌اند. هرچند این سیخک‌ها از موی انسان هم نازک‌تر هستند اما هر سیخک ظرفیت تحمل بار قابل توجهی داشته و قادر است نیروی زیادی را از قلاب‌ها به مابقی ساختار استخوان‌مانندِ اسفنج منتقل کند.
سبد گل ونوس با استفاده از فیبرهای قدرتمند موسوم به سیخک خود را به کف دریا می‌چسباند؛ چیزی‌که در بخش سمت چپ انتهای موجود دریایی بالا دیده می‌شود.
هر سیخک از یک هسته‌ی سیلیسی تشکیل شده که با ۱۰ تا ۵۰ استوانه‌ی هم‌مرکز از جنس سیلیس احاطه شده است. هرکدام از این استوانه‌ها با لایه‌ی نازکی از مواد آلی از هم‌دیگر جدا شده‌اند. هانیش کساری (Haneesh Kesari) مهندس مکانیک از دانشگاه بورن و هاروارد مشتاق بوده تا به این مهم دست یابد که آیا استحکام زیاد یک سیخک به آرایش ویژه‌ی استوانه‌ها و هسته مربوط می‌شود یا نه. به عبارت دیگر آیا طبیعت این ساختار را برای قدرتمند ساختن این سیخک‌ها بهینه کرده است؟
برای پاسخ به این پرسش پژوهش‌گران یک مدل ریاضی از ساختار درونی یک سیخک را توسعه داده‌اند. آنها فرض کرده‌اند که لایه‌های آلی٬ این امکان را به تک‌تک استوانه‌ها می‌دهد تا روی یکدیگر سُر بخورند و استحکام هر استوانه را نیز یکسان درنظر گرفته‌اند. آنان با استفاده از این مدل٬ ترکیب‌بندی‌های مختلفی را برای ضخامت لایه‌ها جستجو کرده‌اند تا به ساختاری دست یابند که تحمل بیشینه ظرفیت بار را داشته باشد.
این مدل پیشنهاد می‌دهد که ساختار بهینه٬ متشکل از استوانه‌هایی خواهد بود که ضخامت آنها به سمت بیرونِ سیخک در حال کاهش باشد؛ چیزی که دقیقاً در اسفنج‌های واقعی دیده شده است. بعلاوه با مقایسه بین ضخامت لایه‌ها در این طرحِ بهینه و بیش از هزار سیخک واقعی شباهت نزدیکی میان آنها مشاهده می‌شود.
بازتوزیع تنش
محققان معتقدند که چنان آرایشی از لایه‌ها٬ تنش‌های داخلی را در طول سطح مقطع سیخک (به جای تنش‌های متمرکز حول نواحی خارجی چنانکه در فیبرهای جامد معمولی رخ می‌دهد) بازتوریع می‌کند. در نتیجه یک فیبر لایه‌ای می‌تواند بار بیشتری را تا قبل از شکسته شدن منتقل کند. بر اساس مدل این پژوهش‌گران یک سیخک با ۲۵ لایه‌ی حول آن یک افزایش ۲۳ درصدی در ظرفیت بار را در طول یک سیخک جامدِ هم‌اندازه بدست می‌آورد.
دِسیسلاوا باچوا (Desislava Bacheva) مهندس هوافضا از دانشگاه بریستول این مدل را «به خوبی توسعه‌یافته» نامیده و این پژوهش‌گران را به خاطر سهم آنان در فهم نقش بالابری استحکامِ معماریِ داخلیِ این سیخک‌های طبیعی ستوده است. به زعم وی مسئله‌ی درک و فهم طرحِ سیخک بسیار پیچیده است. وی می‌افزاید مایل است تحقیقات بیشتری را در مورد رفتار دقیق این ماده٬ همچنین ادغام ماده و ساختار در مقیاس‌های طولی مختلف را ببیند.
به بیان هرمان ارلیک (Hermann Ehrlich) متخصص کانی‌شناسی زیستی از دانشگاه برگاکادمی فرایبرگ آلمان: «نتیجه‌ی مدلی که این پژوهش‌گران ارائه داده‌اند به شکل قابل توجهی همبسته است. این پژوهش٬ طبیعت سودمندِ استراتژی طرح لاملار برای مواد همگنِ الاستیک را برجسته می‌کند که در طی بیش از ۶۰۰ میلیون سال از تحول اسفنج شیشه‌ای توسعه یافته است.»
آزمایش دقیق مکانیکی
با کامل شدن مطالعات اولیه‌ی٬ کساری و همکارانش به جستجوی خود در طرح داخلی این سیخک‌ها ادامه می‌دهند. آنها اکنون از قطعات سفارشی برای انجام آزمون‌های دقیق مکانیکی بر روی تک سیخک‌ها در مقیاس میکرون استفاده می‌کنند. این پژوهش‌گران مدل‌سازی دیگری را نیز با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای در مقیاس بزرگ انجام می‌دهند با این هدف که به درک بهتری از چگونگی معماری لایه‌ای که می‌تواند به سختی و سفتی ماده بیافزاید دست یابند.
کساری بر این اعتقاد است که امکان ایجاد مواد بزرگ‌تر و مصنوعی با ویژگی‌های ارتقایی مشابه وجود دارد. به بیان وی: «تاثیر و کاربرد ساختارهای کوچک بر پایه‌ی اصولی که ما از این سیخک‌ها یاد گرفته‌ایم می‌تواند بسیار عظیم بوده و زیرساخت‌های عمرانی٬ هوانوردی و تعدادی از دیگر صنایع را تحت تاثیر قرار دهد.»
مایکل مون از اعضای این تیم پژوهشی می‌افزاید: «در جهان مهندسی‌شده می‌توانید همه نوع از مواد را ببینید که در آنها هندسه‌ی خارجی ساختار به منظور ارتقاء استحکام آن تغییر یافته است. اما این ساختارها تلاش زیادی که متمرکز بر طرح داخلی مکانیکی آنها باشد را از خود نشان نمی‌دهند.»
این پژوهش در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم به چاپ رسیده است.
درباره‌ی نویسنده:
ایان راندال (Ian Randall) نویسنده‌ای علمی از نیوزیلند است.
منبع:
Scientists reveal how a sea sponge gets its remarkable strength
نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
آمار بازدید: ۲۷۶
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»
Server:
Iran (45.82.138.40)
