שתפו‬        

אסף בן נריה

דומם, אבל גם חי וצומח

גומי שנקרע ומתחבר מחדש, בטון שנסדק ומתאחה ומתכת שהשברים בה נעלמים מעצמם – הכירו את החומרים החכמים שישפרו את הרחובות, הבתים והמכשירים שלנו ויעזרו לנו לשמור על הסביבה

 
21 ביוני 2015



 

בסרט "שליחות קטלנית 2" מגיח מהעתיד רובוט רצחני, שגופו המשוכלל שעשוי ממתכת נוזלית יכול לרפא את עצמו לאחר פגיעת כדור (או אחרי שמשאית נוחתת על ראשו). בעולם האמיתי, תחום החומרים בעלי תכונות של "ריפוי העצמי" (Self Healing Materials) צובר תאוצה משמעותית בשנים האחרונות, ויכולות שנחשבו בעבר הלא-רחוק למדע בדיוני נראות כיום מציאותיות יותר מתמיד. ההשראה לחומרים החדשים מגיעה מתחום מדעי החיים. החומרים החכמים מחקים מערכות ביולוגיות, ותופעות שמתקיימות כדרך הטבע בבעלי חיים וצמחים. הרעיון המרכזי הוא שכמו שהגוף מסוגל לרפא בכוחות עצמו שברים קשים ולאחות פצעים עמוקים, כך יוכלו החומרים המתקדמים לזהות סדקים וחורים במערכות שבהן הם פועלים ולתקן אותן מיד.

הנה שלוש דוגמאות לחומרי העתיד שעושים היום את צעדיהם הראשונים מחוץ למעבדות:

לאחות את הסדקים בבטון

נדמה שרעידת האדמה החזקה שפקדה את נפאל בחודש אפריל האחרון ערערה עוד יותר את הביטחון הבסיסי שלנו במקומות שאותם אנו תופסים כמקלטים בטוחים ויציבים: הבית שלנו ורחובות הערים שבהן אנו מתגוררים. בורות ענק נפערו ברחובות, והרס וחורבן נראו בכל פינה. בניינים קרסו כמגדלי קלפים ואלה שנשארו על תלם פונו מחשש שיתמוטטו. הבטון, חומר הבנייה הנפוץ בעולם, יישפך כעת בכמויות אדירות בנפאל, בניסיון לשקם את האזור החרב. הבנייה מחדש של המקומות שנפגעו תעלה מאות מיליוני דולרים ותפגע עוד יותר באחד האזורים העניים ביותר בעולם.

כעת תארו לכם כעת חומר בנייה, "בטון חכם", שמסוגל לרפא את עצמו וכך למנוע הרס מיותר של מאות בניינים שנסדקו כתוצאה מרעידת האדמה. נשמע כמו עוד סצנה בדיונית? לא ממש. מדענים מאוניברסיטת דלפט שבהולנד יצרו בטון שמסוגל לאחות סדקים ללא התערבות חיצונית. הבטון החי, כפי שהוא מכונה על ידי צוות החוקרים, מיוצר על ידי הוספת חיידקים מיוחדים לבטון רגיל והעשרתו במצע מיוחד שמאפשר את גדילתם. כאשר נוצרים סדקים בבטון רגיל, מים ולחות מוצאים את דרכם לתוכו ועלולים לגרום לקורוזיה ולהיחלשות שלד המתכת שביסודות המבנה. עם זאת, במקרה של הבטון החי, המים שמסכנים את עתיד הבניין, מעוררים את החיידקים הנמים משנתם, שיכולה להימשך מאות בשנים וגורמים להם לחזק את הבטון. הטכנולוגיה המהפכנית מבוססת על העובדה שהחיידקים, כחלק מחילוף החומרים שלהם, מייצרים קלציום קרבונט, מינרל הבונה את אבן הגיר, שממלא את הסדקים ומחזיר לבטון את שלמותו. מניעת חדירת לחות ומים מאריכה את אורך חיי הבטון ומאפשרת  את המשך תפקודו כיסוד הבניין.

החיידקים שבהם נעשה שימוש בפיתוח זה נבחרו בקפידה, כאשר תנאי הסף היו עמידות גבוהה ביותר לכוחות מכנים שמופעלים בערבוב הבטון, ויכולת שרידות גבוהה וממושכת ללא מזון, אור וחמצן. החיידקים שנשתלו בבטון שייכים לקבוצה של בקטריות שמייצרות מינרלים כחלק מתהליך הנשימה שלהם ושעונים לשם בציליוס פסאודופירמוס. הם נמצאו במעמקי הקרקע של אגמים וולקנים, שהתנאים הקיצוניים השוררים שם הקנו להם יכולת הישרדות מדהימה של 200 שנה ללא כל חמצן או מזון.

המכשול העיקרי בהפיכת הבטון החכם לברירת מחדל אצל קבלני הבניין בשטח הוא באופן לא מפתיע המחיר. מחיר ההפקה של הבטון החי יקר פי שניים מזה של בטון רגיל, בעיקר בשל המצע הייחודי שנדרש לפעילות החיידקים. לכן, החוקרים מנסים כעת למצוא מזון זול יותר להאכלת החיידקים, כדי לאפשר תחרותיות מול מחירי הבטון הקיימים בשוק.

[youtube height="HEIGHT" width="WIDTH"]Phttps://www.youtube.com/watch?v=PyBR3PDPa-c[/youtube]

 

גומי עם תשע נשמות

גומייה שנקרעה יכולה לגרום לנו לתסכול רב, אבל ההשפעה של כך על חיינו תהיה לרוב מזערית. עם זאת, יש לזכור שגומיות הן גם חלק מרכזי בכל מערכת סובבת, החל מקורא התקליטורים ועד למנוע סילון בבואינג 747. גומייה שנקרעה לנו ברכב תביא להשבתתו ולשעות עבודה רבות במוסך שיעלו לנו כסף רב. בעידן שבו כבר לא מתקנים מכשירי חשמל ביתיים, קריעה של גומייה תגרום לנו לזרוק את המכשיר הפגום ולקנות חדש במקומו. כך, אנו גורמים נזק נוסף להידלדלות המשאבים הטבעיים ולפליטת מזהמים רבים בתהליך הייצור, ההובלה והמחזור של המכשיר הישן.

בקליפורניה, קבוצת חוקרים פיתחה גומי חדש שמסוגל לשקם את עצמו לאחר פגיעה באופן ספונטני וללא כל התערבות חיצונית. הגומי המשוקם הוא חזק וגמיש כמו הגומי המקורי שאנו מכירים.

הפיתוח מתבסס על תחום בכימיה שעוסק בקשרים בין מולקולות ושמכונה כימיה סופרא-מולקולארית (Supramolecular chemistry). בגומי החדשני יש מבנים זעירים, שכוללים פולימרים – מולקולות ענק שמסוגלות להתחבר מחדש לאחר פגיעה. החיבור בין הפולימרים מתאפשר הודות לקשרי מימן שנוצרים באופן ספונטני בגומי הקרוע, והוא מאפשר גם חוזק וגם גמישות, תכונות הנדרשות בגומי שאמור לעמוד בלחצים.

תהליך הבלייה של הגומי הוא הדרגתי ולרוב מתחיל בקרע קטן שעדיין מאפשר פעולה תקינה. בגומי החדש יש מבנים שמתחברים זה לזה לאחר "הבליה המכנית" ויוצרים קשרים חזקים ואלסטיים. יישום הגומי החדש ברצועת הרכב, בבלנדר במטבח או במחשב הביתי יאפשר תיקון מיידי של אותם קרעים ראשוניים והמשך עבודה תקינה לאורך שנים.

[youtube height="HEIGHT" width="WIDTH"]https://www.youtube.com/watch?v=Bho1-R5heFc[/youtube]

 

המתכת המתחזקת

אחת הבדיקות החשובות ביותר שעובר כלי טיס באופן שגרתי היא איתור סדקים בגוף המטוס והכנפיים. בשל הכוחות העצומים הפועלים על כלי הטיס, במיוחד בעת המראה ונחיתה, גם סדק קטן ביותר עלול לגרום לאסון גדול. קבוצת חוקרים מאוניברסיטת MIT עובדת על פיתוח מתכת, "סגסוגת על" מבוססת ניקל, חדשנית עם יכולת ריפוי עצמי של סדקים. המוטיבציה לפיתוח הגיעה לאחר שהחוקרים גילו שהפעלת כוח על המתכת גרמה דווקא להיעלמותו של סדק. גילוי זה הפתיע מאוד את החוקרים, שציפו שהפעלת כוח על מתכת סדוקה תגדיל את הסדק ואף תגרום בסופו של דבר לשבר.

סימולציה ממוחשבת פתרה את התעלומה. ההסבר קשור למבנה המתכת שמורכבת ממבנים זעירים, בצורת גבישים, שחוזרים על עצמם באופן מדויק. המנגנון שמאחורי ריפוי הסדק התאפשר הודות לתופעה הידועה כתנועה של מבנה הגבישים בתוך החומר המוצק. הסדק הזעיר נמצא בתוך המבנה הגבישי ועלול לגדול ולגרום לשבר חמור במתכת. מתיחה של המתכת בכיוון מסוים, ביחס למיקום הסדק, גורמת לשינוי במבנה המיקרוסקופי של החומר ובכך הסדק "נעלם" אל תוך מבנה המתכת.

גילוי מנגנון זה פותח פתח לייצור מתכות שירפאו את הסדקים הנוצרים בתוכם בתנאים שמאפיינים את פעולתם הרגילה. כיום כבר קיימת טכנולוגיה לסידור הגבישים במתכת והשלב הבא, לפי קבוצת החוקרים, הוא מציאת המבנה שיביא לתוצאה הרצויה. בדרך זו, לפי קבוצת החוקרים, ניתן יהיה לא רק להגביר את הבטיחות אלא גם להאריך את אורך החיי הרכיבים השונים. הטכנולוגיה החדשה מאפשרת תחזוקה חכמה ויעילה יותר של גופים כבדים כמו מבני גשרים, מנופים, מטוסים ורכבים. כאשר יאותר סדק בגוף המתכתי, איש התחזוקה באתר יידע מיד באיזה כיוון יש למתוח את הרכיב הפגום כדי להביא להיעלמות הסדק.

[youtube height="HEIGHT" width="WIDTH"]https://www.youtube.com/watch?v=E9poznjfOLA[/youtube]

 

עתיד ירוק?

החומרים החכמים מבטיחים עמידות גבוהה יותר ולכן דורשים פחות תחזוקה ותחלופה. האם יצליחו להיות תחרותיים דיים כדי להציע אלטרנטיבה אמיתית? נדמה שזה האתגר העיקרי שעומד בפני המפתחים, שהצלחתם תהיה לרווחת כולנו.

 


בעקבות הכתבה ב"זווית" הסיפור פורסם גם ב-גיקטיים

שתפו‬