Table of Contents
وتعيد عمليات الانجاز الأخيرة في علوم المواد تشكيل الطريقة التي يفكر بها المهندسون والمصممون في سبائك المعادن، وبدلا من الاعتماد على حد سواء على حداثة الإنسان أو قوة الكدمات الحاسوبية، يتحول الباحثون إلى بلايين السنوات من التطبيقات الذاتية؛ دال. والنتيجة هي فئة جديدة من المواد المعروفة باسم bio-inspired metal alloys
ما هي المحارم الحيوية؟
إن المحار الفلزية ذات الصبغة الأحيائية هي مواد معدنية مصنوعة من صنع الإنسان تتأثر تصميمها مباشرة بالهياكل أو البنايات أو الآليات الموجودة في الطبيعة، وعلى عكس الطلاءات الحيوية الحيوية البسيطة أو الأنماط السطحية، فإن هذه السبيكات تدمج المبادئ البيولوجية في تركيبتها السوائبية وهيكلها الجزئي، والهدف هو تحقيق خصائص يصعب أو يتعذر الحصول عليها بتصميم السبيكة التقليدية - على سبيل المثال، معدن يكون في غاية القوة والارتفاع من حيث الاستعادة.
إن مفهوم التطلع البيولوجي في علوم المواد ليس جديدا، ومن الأمثلة المبكرة على ذلك تضييق هيكل القذائف المتحركة على مستوياته من أجل خلق سمات أكثر صرامة، غير أن تطبيق هذه الأفكار على المعادن كان أبطأ بسبب التحديات التي ينطوي عليها التحكم في الهياكل الجزئية الفلزية بمصاعد متعددة، وقد أصبحت التطورات الأخيرة في التصنيع المضاف )الطباعة(، والوصف العالي الناتج، والنموذج الهرمي للتصميمات المحسوبية، قابلة للتطبيق.
الآليات الرئيسية ومبادئ التصميم
وتستخدم الطبيعة مجموعة من الاستراتيجيات المتكررة لتحقيق أداء ميكانيكي استثنائي، ويمكن لهذه المبادئ، عند ترجمتها إلى سبائك معدنية، أن تحسن سلوكها بشكل جذري.
الهيكل الهرمي
وتنظم المواد البيولوجية مثل العظام والأخشاب وطن الأسنان على نطاقات متعددة - من المستوى الجزيئي إلى السمات الكلية، وهذا التسلسل الهرمي يتيح لها الجمع بين التصلب والقوة والنور، وفي معدن مُلهم أحيائيا، يمكن للمصممين تكرار ذلك بواسطة هياكل هندسية، وأجهزة تهيج، وأجهزة للسخرية على نطاقات مختلفة.
آليات الصحة الذاتية
ويمكن للكثير من الكائنات الحية أن تصلح أضراراً طفيفة بصورة مستقلة - أي قطع على شفاءات الجلد، وكسر أكواب العظام معاً، وبدأ العلماء في دمج قدرات مماثلة في السبيكات المعدنية، وينطوي نهج واحد على تفريق جسيمات صغيرة الحجم، وتشكيلها في كل أنحاء المصفوفة المعدنية، وعندما لا تزال هذه الجسيمات تشكل تحولاً تدريجياً تمارس ضغطاً ضغطاً على الوجوات، وتغلقها بطريقة فعالة.
الهياكل الأساسية
ونادرا ما تستخدم الطبيعة مواد موحدة، فعلى سبيل المثال، تكون لها كثافة درجتية من جلدها الخارجي إلى معدنها، وتُحدِّد إلى أقصى حد من الاضطرابات في الإقراض، وتخفض كذلك الميل البشري من الأنسجة المستخرجة من الصلب إلى التلال، وتترجم هذه الخواص إلى المعادن، ويخلق الباحثون التكوينات المصممة تدريجيا
التكتل البصري
فالطيور تحقق تحليقاً خفيفاً بالوزن من خلال وجود عظام ملتوية مع هدنة داخلية - مثل التفشي الأمثل لكل كتلة من وحداتها - إن الرغاوي المميتة وهياكل البطيخ التي تستمد من هذه التصميمات شائعة الآن في هندسة الوزن الخفيف، غير أن المحاور التي تصب في أحيائها تدمج بين هذه البنايات المخرفة وبين طبقة سطحية الكثية، وتصيب الكثير من الحيوانات.
أنواع المحارم المُلهمة بيولوجيا
وقد برزت عدة أسر من المحار المعدنية ذات المصب الحيوي، كل منها مستمد من نموذج بيولوجي محدد.
ملهمة (الأمّة - اللؤلؤ)
إن ناكري - وهو البطانة الداخلية للشوفان - هو معروف لما تتسم به من قوة كبيرة، رغم أن معظمه يتألف من كربونات الكالسيوم الملتوية، ويكمن سره في هيكل مصغر " متين - مركب " ، وهو: أضواء زراعية صلبة )أخطاء( موزعة بمستويات رقيقة من البوليمر العضوي الليني )النجم(.
"ألويكس"
إن البون هو مجموعة طبيعية من التلال )المرن والمرن( والهيدروكسيابات )المربى والرشوة( - وهو هيكلها الهرمي - من بلورات المعادن النانوية إلى قنوات هافرسيكية - يوفر توازنا ممتازا بين القوة ومقاومة الكسور.
سبايدر - سكك ألونز ملهم
إن حرير العنكبوت هو أحد أشد المواد الطبيعية، حيث يجمع بين القوة العالية التشابك مع النبرة الاستثنائية، ويكمن السر في هيكله الجزيئي: الفلزات النانوية البيتا المثبتة في مصفوفة بروتينية مرنة، وفي الفلزات، حاول الباحثون تكرار ذلك بإنشاء محركات نانوية تُظهر فيها كسور ناجمة، مائلة.
المعادن الخلوية المشبعة بالأخشاب
فالأخشاب مادة خلوية ذات خلايا مائلة (التراخيد) مصممة على طول اتجاه نمو الأشجار، وهذا التمزق يسبب تشتاً كبيراً في الخشب على طول الحبوب، ولكنه يسمح بتزييفها عبرها، ويمكن أن تجسد هذه المواد الرغاوي المحتوية على مسامير مراقية متحكمة ومتسمة بالتوجيه أو الطباعة بواسطة 3D، وهي مواد مفيدة في الحصول على قنوات امتصاص الطاقة (مثلة في السائل موصلية).
معدن مُلهمة
وفي حين أن أجنحة الفراشات ليست ذات هيكل هيكلي أساسا، فإنها تمتلك هياكل دقيقة تنتج اللون الهيكلي، وبتكرار هذه الأنماط الدورية ودون الميكرونية في المعادن (استخدام تقنيات مثل الليزر أو التشويش الليزري)، يمكن للباحثين أن يخلقوا أسطحا ذات خصائص بصرية فريدة - مثل الانعكاس الانتقائي، أو الانتشار، أو مكافحة التصفيق - للمجسات البصرية، أو التصفير الإشعاعي.
Manufacturing Techniques for Bio-inspired Alloys
ويتطلب ترجمة التصميمات البيولوجية من المفهوم إلى الواقع أساليب صناعية متقدمة قادرة على التحكم في الهيكل على نطاقات متعددة.
الصناعة المضافة (3D Printing)
كما أن تقنيات الطباعة المميتة 3D - مثل دمج أسرة مسحوق الليزر ورسم الطاقة الموجهة تسمح بإنشاء مجمّعات هندسية معقدة هرمية مستحيلة مع الصبغ التقليدي أو الذقن، والتصوير البرمجي، والهياكل الصفراء، بل وحتى القنوات المدمجة للعوامل ذاتية التلقيح يمكن أن تبنى طبقاً حسب الطبقات، وهذا هو أكثر الطرق مباشرة لإنتاج مواضع متماثلة للعظم أو ناجمة.
Severe Plastic Deformation (SPD)
ويمكن للباحثين، عن طريق الجمع بين برنامج تنمية الطاقة والمعالجات الحرارية، أن يصقلوا هياكل الحبوب إلى مستوى المقياس النانوميتر، وأن يخلقوا معادن شديدة الارتداد، وأن يخلقوا هياكل متطورة، مثل طبقة سطحية مغنطة بالبنك المغنطيسي، تتحول تدريجيا إلى تركيبة ميكنية في طبقة مائية مائية مائية مائية متطورة.
ذاتي - سامبلي وتيمبل
وكثيرا ما تستخدم النظم البيولوجية التألق الذاتي (مثل البروتينات التي تطوي في أشكال دقيقة) وفي الفلزات يستخدم الباحثون نماذج - مثل نصف الكرة المجهرية المرتّبة - يتم إزالتها فيما بعد، وتركها وراءها مسامير متحكم فيها، وكبديل لذلك، يمكن أن تخلق الليثيوم المكعب أنماطا نانوسية عادية للغاية، تنقل بعد ذلك إلى فيلم معدني عن طريق التصوير الكهربائي أو الفيزيائي.
التفرق مع المراحل التضحية
وبالنسبة للمعادن المخروطية، فإن الطريقة المشتركة هي خلط المسحوق المعدني مع مادة التضحية (مثل الملح أو الخرز المتعدد الوسائط)، ودمج المخلوط، ثم إزالة مرحلة التضحية بصورة انتقائية من خلال حلها أو تحللها الحراري، ويمكن زيادة تغيير المسامير المتبقية لتوليد توزيعات متعددة الوسائط للحجم، مما يعاد تشكيل شبكة النسيج في العظام.
تطبيقات الصناعات عبر الحدود
ولا تقتصر السبيكات المعدنية ذات الصبغة الأحيائية على المختبر؛ بل يجري اعتمادها بالفعل في تطبيقات النشوء، مع توسيع نطاق التسويق في الأفق.
الفضاء الجوي والطيران
ووفقاً لضوء المواد أقوى وأضرار أكثر حدة في الفضاء الجوي، يجري اختبار مكونات الألومنيوم المُلهمة في أجسام الصمامات، وذلك في الوقت الذي يُعرض فيه المدخرات من الوزن على مقاومتها.() ويجري النظر في تركيب 20 من مكونات التكتيكات الهرمية المحتملة في إطار تركيبات الترسبات التي تخضع للتحميل الدوري(23).
النمطيات الطبية الحيوية
أما الزرع الأورثوبي فيعتبر من الطبيعي للمساحات التي تصب في العظام، كما أن المكائد الطبيعية للثديين والبنط التنتالومية مع موكب الفلزات النخيلية التي تخفف من الإجهاد وتروج لزراعة الأنسجة.
النقل والسيارات
ويكتسي الحد من الوزن أهمية حاسمة بالنسبة للمركبات الكهربائية في توسيع النطاق، إذ تستخدم المعادن الخلوية المزودة بالوقود والمسافات القائمة على التدرج لإنتاج هياكل لتعليقات التحطم التي هي أخف من الصلب التقليدي أو الطوابع الألومنيوم، كما أن فورد قد جربت مجموعات من الشطائر الأساسية ذات الصل المطبعة 3D، التي يستمد منها هيكل العظام المتناثر، مما أدى إلى تخفيض وزنها بنسبة 30 في المائة في النموذج البنفسي.
الطاقة وتوليد الطاقة
ويمكن أن تستفيد أجهزة تبادل حروف التربين من البنايات ذات الصبغة الحيوية، ويجري دراسة المعادن الفوتوغرافية المستوحاة من الطيفات المبردة للتبريد الإشعاعي على محطات الطاقة الشمسية المركزة، ويمكن أن تؤدي هذه المعاطف المزروعة بواسطة قنوات التبريد الداخلية التي تُعد شبكات الأوردة ذات الصلة بالنشر إلى زيادة النقل الحراري الموحد وتخفيض البقع الساخنة، كما ورد في ورقة [FLT: ExpB1](10).
المعدات الرياضية والسلع الاستهلاكية
إن رؤوس نوادي الغولف، وأطر الدراجات، وثكنات التنس هي من أوائل المتبنين من المحاور المعدنية المُلهمة بيولوجياً، ولا سيما تلك التي بها هياكل متدرجة أو خلوية، وتُستخدم مركبات المغنيزيوم المُلهمة، على سبيل المثال، في عجلات الدراجات العالية لأنها تُلقي اليقظة أفضل من ألياف الكربون بينما توفر تعزيزات أعلى.
التحديات والاتجاهات المستقبلية
ورغم الوعد، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن تصبح المحار المعدنية ذات المحور الحيوي جزءاً رئيسياً من المسارات.
الصناعة التحويلية القابلة للطي
فالعديد من المظاهرات المختبرية للهياكل الملوَّثة بالبث أو البرمجيات المحتوية على ثلاثية الأبعاد، التي تتسم بالبطء والكلفة، وبالنسبة لصناعات السيارات أو البناء، يجب تطوير تقنيات إنتاج الكتلة الفعالة من حيث التكلفة، مثلا، إنشاء هيكل متطور مثل الطوب والنجم على مناطق كبيرة تستخدم أساليب التداول أو الصبغة التقليدية، ليس ممكنا بعد، ويستكشف الباحثون عمليات الفرز المتطورة، وأنماطم المتقدمة.
واو - التبديل والاعتماد
وفي حين أن السواحل التي تبثها الصبغة الأحيائية كثيرا ما تظهر خصائص ثابتة مثيرة للإعجاب، فإن سلوكها تحت التحميل الدوري - وهو أمر أساسي لمعظم التطبيقات الهيكلية - أقل دراسة، كما أن السمات التي تعزز الصرامة (الوصلات البينية، والمسامير) يمكن أن تكون أيضا بمثابة مواقع لفتح الشق تحت الإرهاق، إذ أن تصميم السبيكات التي تحتفظ بقدرتها على التعافي الذاتي على ملايين الدورات، أو التي تحافظ على هياكل التدرج دون فهم مكثف، يتطلب استقرارا صغيرا.
توحيد المعايير والاختبارات
وكثيرا ما تكون المواد المبثوثة من مصادر حيوية غير موحّدة، وخواص غير متجانسة، وتتحدّى معايير الاختبار القائمة، ويلزم وضع بروتوكولات جديدة لوصف المواد الهرمية والتنبؤ بأدائها أثناء الخدمة، وقد بدأت منظمات مثل المنظمة الدولية لصرف النقود في وضع معايير للهياكل المصنّعة بصورة مضافة، ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل.
التكامل مع التوائم الرقمية
وقد يكمن مستقبل السبيكات المطلية على الأحياء في تدفقات العمل في التصميم الرقمي التي تجمع بين النموذج النهائي والتعلم الآلي، ومن خلال نماذج تدريبية بشأن قواعد تصميم الطبيعة - مثل قواعد البيانات الديموغرافية - يمكن للمهندسين أن يستكشفوا بسرعة مساحات واسعة النطاق من التصميمات للهياكل المتوسطة الحجم المثلى.
الأثر البيئي والاقتصادي
فالسبائك المزودة بالبضائق الحيوية أكثر تعقيداً عموماً في الإنتاج، مما قد يزيد من استهلاك التكلفة والطاقة، ولكن إذا ما مكّنت هذه السكك من منتجات أخف وأطول أجلاً، فإن فوائد دورة الحياة يمكن أن تفوق الأثر الأولي للتصنيع، وينبغي أن تشمل البحوث المقبلة تحليل دورة الحياة لقياس المكاسب البيئية الصافية كمياً - على سبيل المثال، انخفاض استخدام الوقود في تعويض الطائرات عن انبعاثات إنتاجية أعلى.
خاتمة
إن المحارم المعدنية المزودة بالبلازما الحيوية تمثل تحولا في تصميم المواد - وهو ما يبدو للطبيعة ليس فقط بالنسبة لممتلكات واحدة، بل بالنسبة لنظم متكاملة كاملة من القوة والقوة والنور والوظيفية، ومن الانتقال الهرمي للعظم والنجارة إلى آليات التلقيح الذاتي التي توجد في الأنسجة الحية، فإن هذه المحاور تفتح نظما للأداء كانت تعتبر مستحيلة.