کشف مکانیسم استحکام غیرعادی صدف مرواریدی

گروهی از محققان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی علت خاصیت ارتجاعی غیرمعمول صدف مرواریدی را در مواجهه با حملات شکارچیان کشف کرده‌اند. این محققان بر این باورند که با توجه به ساختار نانومقیاس این ماده، می‌توان از این یافته در تولید مواد بسیار محکم در آزمایشگاه بهره برد.


نتایج همایش نهایی پروژه NanoCap

استحکام صدف مرواریدی کلید بقای بسیاری از نرم‌تنان صدف‌دار به‌شمار
می‌رود. حال گروهی از محققان دانشگاه کالیفرنیای جنوبی به‌رهبری پروفسور
ژیائودونگ لی، استاد مهندسی این دانشگاه علت خاصیت ارتجاعی غیرمعمول این
ماده را در مواجهه با حملات شکارچیان کشف کرده‌اند. این محققان بر این
باورند که با توجه به ساختار نانومقیاس این ماده، می‌توان از این یافته در
تولید مواد بسیار محکم در آزمایشگاه بهره برد.

لی می‌گوید: «مدت‌های
زیادی فکر می‌کردیم که چگونگی عملکرد این مواد زیستی نانوساختار را درک
کرده‌ایم؛ اما به‌نظر می‌رسد که اطلاعات بسیار کمی در این زمینه داریم».

صدف مرواریدی آستر داخلی پوسته صدف تولیدکننده مروارید و برخی دیگر از
نرم‌تنان را تشکیل می‌دهد. خود مروارید نیز از این ماده ساخته می‌شود که یک
نانوماده کامپوزیتی است که توسط ماشین زیستی صدف تولید می‌شود. در این ماده
دانه‌های بلوری ریز کربنات کلسیم به شکلی منظم و دقیق آرایش یافته و توسط
پلیمرهای زیستی به یکدیگر متصل می‌شوند؛ این ساختار پایداری بسیار بالایی
را موجب می‌شود، به نحوی که مقاومت ترک خوردن مروارید در برابر ضربه 1000
برابر بیشتر از مقاومت ضربه‌ای حالت بلوری کربنات کلسیم است که بخش اصلی
مروارید را شکل می‌دهد.

لی توضیح می‌دهد که مقاومت مروارید در برابر
فشار بسیار غیرعادی است. زمانی که این ماده به سرعت فشرده شود (بارگذاری
جنبشی)، می‌تواند فشار بسیار بیشتری را نسبت به حالتی که به آرامی فشرده
می‌شود (بارگذاری ایستا)، تحمل کند. این ویژگی در هیچ ماده سرامیکی ساخته
دست بشر مشاهده نمی‌شود. این پدیده بیش از 10 سال است که شناخته شده است،
اما دلیل آن همچنان ناشناخته باقی مانده است. بنابراین گروه لی با تمرکز بر
ساختار نانومقیاس این ماده در صدد کشف علت این ویژگی برآمدند. آنها یک
نمونه مروارید را به‌دقت بریده و آن را در معرض بارگذاری جنبشی و ایستا
قرار دادند. نمونه‌ای که به سرعت فشرده شد (تست بالستیک) توانست دو برابر
نمونه دیگر که به آرامی فشرده شده بود، در برابر شکستن مقاومت نشان دهد.
سپس این محققان با استفاده از میکروسکوپی الکترونی عبوری جزئیات شکست را در
مقیاس نانو مورد مطالعه قرار دادند.

نتایج به‌دست آمده کاملاً غیرمنتظره
بودند. تحت شرایط فشردگی سریع، نانوذرات با هماهنگی یکدیگر از خم شدن ماده
جلوگیری می‌کنند. محققان نتیجه‌گیری کردند که در مورد نانوذرات کربنات
کلسیم، فرایند deformation twinning وارد عمل می‌شود. اما این مکانیسم تنها
تحت شرایط بالستیک (پرتابی) مشاهده می‌شود. آنها همچنین نتیجه گرفتند که
جابه‌جایی‌های جزئی درون نانوساختار این ماده نیز موجب افزایش استحکام آن
می‌شود؛ این مورد نیز تنها در حالت فشردگی سریع اتفاق می‌افتد.

زمانی که
پوسته صدف در معرض ضربه ناگهانی یک شکارچی قرار می‌گیرد، نانوذرات
تشکیل‌دهنده آن با یکدیگر همکاری کرده و با جذب انرژی ضربه، مقاومت آن را
به بیشترین مقدار خود می‌رسانند.

جزئیات این کار در مجله Scientific
Reports منتشر شده است.