با بررسی ساختار پوسته بدن عقرب و لایه‌های نانومقیاس و چگونگی چیدمان این لایه‌ها، محققان ایده‌های جذابی برای طراحی کامپوزیت‌های مقاوم و مستحکم گرفتند.
درس‌های نانویی که دانشمندان از عقرب گرفتند!
ما انسان‌ها در جستجوی مواد پایدار هستیم، در حالی که طبیعت طی میلیون‌ها سال روی مشکل پایداری کار کرده است و مدت طولانی‌تری درگیر آن بوده است. در یک مطالعه جدید، محققان موسسه علوم وایسمن نشان می‌دهند که چگونه ترفندهای طراحی به کار گرفته شده توسط موجودات باستانی مانند عقرب و اسفنج‌ها می‌تواند به بهینه‌سازی انعطاف‌پذیری مواد ساخت بشر کمک کند و در نهایت طراحی مواد پایدارتری را امکان‌پذیر کند.
پروفسور دانیل واگنر از دپارتمان شیمی مولکولی و علم مواد وایسمن که در حال مطالعه جنبه‌های مکانیکی مواد است، می‌گوید: «در دنیای طبیعی، مواد طی میلیون‌ها سال تکامل یافته‌اند، در محیط‌هایی که اغلب با منابع محدود و شرایط سخت تعریف می‌شوند. نقطه شروع کار ما این بود که دریابیم ساختارهای بیولوژیکی اطراف ما نظیر درختان، گیاهان، استخوان‌ها، اسکلت‌های موجودات مختلف چطور به گونه‌ای توسعه یافته‌اند که طبق تعریف، پایدار باشند.»
دکتر گرینفلد، یکی از محققان این پروژه، می‌گوید: «از این نظر، دوام یک پارامتر کلیدی است. به عنوان مثال، موجودات زنده راهبردهای تخصصی مختلفی را برای مقابله با نیروهای خارجی و در عین حال صرف کمترین انرژی به نمایش می‌گذارند؛ به همین دلیل است که می‌توان از طبیعت آموخت، زیرا ما سعی می‌کنیم مواد قوی‌تر و ماندگارتر تولید کنیم. افزایش استحکام مواد اغلب منجر به یک معامله در انعطاف‌پذیری می‌شود. اما طبیعت ساختارهایی ایجاد کرده است که هر دو را به دست می‌آورد.»
واگنر و گرینفلد دو لایه طبیعی را مورد بررسی قرار دادند که درجه سختی استثنایی را نشان می‌دهند: پوسته بیرونی یا کوتیکول یک نوع عقرب و اسکلت داخلی یا اسپیکول یک نوع اسفنج دریایی.
محققان دریافتند که راز انعطاف‌پذیری آن‌ها در درجه‌بندی نهفته است، راهبردی تخصصی که به ندرت در مواد ساخت بشر یافت می‌شود: تغییر تدریجی خواص از یک لایه به لایه دیگر.
در هر دو موجود، لایه‌های مختلف ضخامت متفاوتی دارند و در پوسته عقرب نیز از بیرون به داخل سفتی کاهش می‌یابد، به طوری که سطح بیرونی که با دنیای خشن زندگی عقرب در آن زندگی می‌کند در تماس مستقیم است، انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به داخل پوسته‌اش دارد. در واقع، مطالعه محققان بر روی عقرب نشان داد که پوسته پیچیده این موجودات ترکیبی است که از هشت سطح ساختاری مختلف ساخته شده است.
هم در عقرب و هم در اسفنج، یک تغییر یا مرتب کردن لایه‌های ظریف و در عین حال قدرتمند دیده شد که به آن‌ها کمک می‌کند تا در برابر انواع استرس‌ها مقاومت کنند.
به لطف راهبرد درجه‌بندی، پوسته عقرب و اسکلت اسفنج، در عین اینکه سخت و قوی هستند، به ویژه در مقاومت در برابر ترک‌ها خوب هستند. اگرچه آن‌ها از نظر ترکیب شیمیایی و ساختار متفاوت هستند، هر دو این مقاومت را با استفاده از یک اصل بهینه می‌کنند: انحراف شکست.
این بدان معنی است که در هر دو این موجودات، ترک‌ها با منحرف کردن مسیر خود کاهش می‌یابند. به محض اینکه ترک در ماده ظاهر می‌شود، ترک در ساختار درجه‌بندی شده مواد به جای رفتن به نقطه عمیق‌تر، در همان لایه متوقف شده و از آسیب بیشتر جلوگیری می‌کند.
گرینفلد و واگنر اشاره می‌کنند که وارد کردن مفاهیمی مانند درجه‌بندی طراحی‌های دست ساز انسان بسیار چالش‌برانگیز است. گرینفلد می‌گوید: «برای انسان، چنین طراحی نوآورانه است. ساختارهای بیولوژیکی از پایین به بالا ایجاد می‌شوند، از بلوک‌های ساختمانی کوچک و نانومتری، تا ساختارهای میکروسکوپی و بعد به ساختارهای بزرگتر و بزرگتر؛ در حالی که در مهندسی، معمولاً از سطح مولکولی کار شروع نمی‌شود.»
کوتیکول عقرب به اندازه مو نازک است، حدود ۰٫۱ میلی‌متر ضخامت دارد و شامل ۲۰ لایه است که از تعداد زیادی صفحه مارپیچ تو در تو ساخته شده است که حدود ۱۰۰ نانولایه دارد و هر کدام از این لایه‌ها ۵۰ نانومتر ضخامت دارند. یک نانولایه منفرد از فیبرهای کیتین-پروتئین به ضخامت ۵ نانومتر ساخته شده است که به صورت الیاف جمع‌آوری شده است.
واگنر و گرینفلد، که بیش از یک دهه است با هم کار می‌کنند، از پیشینه‌های حرفه‌ای متفاوتی هستند. واگنر مدت‌هاست که تحقیقات پایه‌ای در زمینه میکرومکانیک مواد کامپوزیتی بیولوژیکی و نانومواد ساخت بشر مانند نانولوله‌های کربنی و گرافن انجام داده است. گرینفلد، در مهندسی هوانوردی فعالیت دارد. واگنر می‌افزاید: «کار ما دقیقاً کپی کردن نیست. ما به دنبال الهام از طبیعت هستیم.»
