چگونه می‌توان موادی را که سست و شکننده‌اند به موادی سخت و نيرومند دگرگونه کرد؟ با گزينش آميزه‌ای درست از فلزها، رشته‌ها، پلاستيک و سراميک می‌توانيد به ماده‌ی مورد نظر خود دست پيدا کنيد. دانشمندان علم مواد اين مخلوط را چندسازه(composite) می‌نامند. ما نه تنها در جهان چندسازه زندگی می‌کنيم، بلکه خود نيز به گونه‌ای چندسازه هستيم. گياهان، جانوران و حشره‌هايی که پيرامون ما زندگی می‌کنند نيز چندسازه‌ هستند. دانشمندان تلاش می‌کنند با الگوبرداری از چندسازه‌های طبيعی، چندسازه‌هايی بسازند که با طبيعت سازگارتر باشند.

بين يک راکت تنيس بسيار سبک و يک فضاپيما چه ارتباطی وجود دارد؟ پاسخ اين است که هر دو فراورده‌ی فن‌آوری ديرينه‌ای هستند که پيشينه‌ی آن به زمان تمدن‌های باستانی بازمی‌گردد. بيش از 2 هزار سال پيش، معماران باستان کشف کردند که می توان با افزودن کاه به گل رس، آجرهای سخت و پايداری به دست آورد. اين شيوه‌ی معماری در ايران، ميان‌رودان و مصر بسيار به کار گرفته شد. در سده‌های ميانه(قرون وسطی) معماران اروپايی ديوارها را با روکشی می‌پوشاندند که از گل و مو تشکيل شده بود.

امروزه ، ما اين نوع مخلوط را چندسازه(composite) می‌ناميم. طی پنجاه سال گذشته، مهندسان و دانشمندان علم مواد(موادشناسان) آموخته‌اند موادی مانند سراميک‌های سخت و رشته‌های تيتانيوم را جای‌گزين گل و کاه کنند و به شيوه‌هايی مشابه شيوه‌های نياکانمان، چندسازه‌هايی بسيار سخت و سبک بسازند. اين چندسازه‌ها برای ساختن همه چيز، از راکت‌های تنيس گرفته تا فضا پيماها، به کار می‌آيند.

چند سازه‌ها به طور معمول با جای دادن رشته‌ها يا ذره‌هايی از ماده‌ای ديگر ساخته می‌شوند. در نخستين چندسازه‌های دست بشر، اين ماده‌ای زمينه ای، گل رس بود. امروزه، ماده‌ی زمينه می‌تواند فلز، گونه‌ای بسپار(پليمر) يا حتی سراميک باشد. در هر صورت، ماده‌ی زمينه مانند چسب کار می‌کند و خرده‌های چندسازه‌ را به هم می‌چسباند. خرده‌ها، يعنی رشته‌های کربن يا ذره‌های سراميک، نيز مانند کاه باعث سختی و پايداری چندسازه می‌شوند.

ويژگی‌های يک چندسازه فراتر از ويژگی‌های خرده‌های سازنده‌اش است. برای نمونه، يکی از معمولی‌ترين چند سازه‌های امروزی GRP  يا glass reinforced plastic است. اين چندسازه از هزاران رشته‌ی شيشه‌ای ميکروسکوپی ساخته شده است که در زمينه‌ای از بسپار رزين جای گرفته‌اند. شيشه، شکننده و بسپار رزين بسيار انعطاف‌پذير است. با وجود اين، GRP هم سخت و هم پايدار است. اين چند سازه، ماده‌ی اوليه‌ی بسيار خوبی برای ساختن بدنه‌ی قايق‌های بادبانی مسابقه‌ای است.

چندسازه‌های طبيعی

اگر چه مواد شناسان تنها در چند دهه‌ی گذشته به سوی چندسازه‌ها گرايش پيدا کرده‌اند، طبيعت در خود چندسازه‌های بسيار سخت، پيچيده و گوناگونی دارد که از ديدگاه سختی و وزن، مانندی برای آن‌ها نمی‌توان يافت. به هر جای طبيعت که می‌نگريم، با يک چندسازه رو به رو می‌شويم. برای نمونه، صدف‌های دريايی از چندسازه‌ی سراميکی سختی ساخته شده‌اند. اين سراميک از لايه‌هايی از بلورهای سخت تشکيل شده که در زمينه‌ی سيمانی نرم‌تری جای دارند. اين سراميک سخت و پايدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداری می‌کند که پيوسته آن را بر سطح سخره‌ها می کوبد.

چوب نيز نوعی چندسازه است. اين چند سازه از رشته‌های سخت سلولوز تشکيل شده که درون بسپاری نرم به نام پکتين(Pectin) جای گرفته‌اند. بدون چند سازه‌ها ما نمی توانيم به پا خيزيم. بدن ما پر از چند سازه است. استخوان‌های ما از سخت‌‌ترين چندسازه ها هستند. ديواره‌ی رگ‌ها ، زردپی‌ها و رباط‌ها نيز از چندسازه‌ها درست شده اند. پوست سخت حشره‌ها نيز نوعی چند سازه است. روی هم رفته، پايه‌ی معماری طبيعت بر چندسازه هاست.

بشر از ساليان دور از چندسازه‌های طبيعی بهره گرفته است. کاه که برای ساختن نخستين چندسازه‌ها به کار می‌رفت، خود نوعی چندسازه است. ابزارهای چوبی، کفش و لباسی که از پوست جانوران تهيه می‌شود، همه چندسازه‌های طبيعی‌اند. به خاطر اين گوناگونی و ويژگی‌های بی‌مانند، موادشناسان تلاش می‌کنند از اين مواد برای سختی بخشيدن به چندسازه‌های ساختگی(مصنوعی) بهره‌ گيرند تا از پيامدهای زيست محيطی ناگوار ناشی از مواد ساختگی بکاهند.

رشته های جادويی

در اغلب جانوران پر سلولی، از جمله انسان، رشته‌های پروتئينی محکمی به نام کلاژن (collagen) به عنوان اسکلت مولکولی بدن کار می‌کنند. اين رشته‌ها در استخوان، زردپی‌ها، رباط‌ها ، غضروف و پوست يافت می‌شوند. يک رشته‌ی کلاژن، مانند قطعه‌ای از طناب از رشته‌های کوچک‌تری تشکيل شده است که به دور يکديگر پيچيده‌اند.

يک مولکول کلاژن از سه زنجيره ی پروتئينی تشکيل شده که به دور يک ديگر پيچيده‌اند و هر کدام از واحدهای کوچک‌تری به نام اسيدآمينه تشکيل شده‌اند. مولکول‌های کلاژن به گونه‌ای ويژه کنار يک‌ديگر آرايش می‌يابند و يک ريز رشته را می‌سازند. تعداد زيادی از اين ريز رشته‌ها به دور يک‌ديگر می‌پيچند تا يک رشته‌ی کلاژن ساخته شود.

ساختمان مولکولی و اتمی يک رشته‌ی کلاژن

رشته‌های کلاژن با مواد گوناگونی در هم می‌آميزند می‌شوند و چندسازه‌هايی با توانايی‌های ويژه می‌سازند. برای نمونه، کلاژن در استخوان با بلورهای کلسيم در هم می‌آميزد و ساختار سختی می‌سازد. در نگاهی دقيق‌تر، استخوان مانند يک بتون مسلح به نظر می‌رسد که رشته‌های کلاژن آن مانند ميل‌گردهای فولادی بتون، درون سيمانی از بلورهای هيدروکسی آپاتيت Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ و پروتئين‌های نارشته‌ای از جمله اوستئوپونتين(osteopontin) و اوستئوکلسين(osteocalcin)جای گرفته‌اند. رشته‌های کلاژن مانند ميل‌گردهای بتون مسلح، استخوان را در برابر ضربه پايدار می‌سازند و سيمان اين بتون (بلورهای کلسيم + پروتئين های نارشته‌ای) بر پايداری آن در برابر فشار می‌افزايد.

اگر مقدار رشته‌های کلاژن استخوان کاهش يابد، استخوان به اصطلاح پوک می شود و با کوچک‌ترين ضربه‌ای می شکند و اگر ماده‌ای سيمانی استخوان به گونه‌ای درست توليد نشود (برای نمونه، کلسيم به مقدار کافی جذب استخوان نشود) پايداری استخوان در برابر فشار کاهش می‌يابد. چنين استخوان نرمی، تحمل وزن بدن را از دست می‌دهد و کج می‌شود. اين وضعيت در کودکانی ديده می‌شود که به مقدار کافی کلسيم دريافت نمی‌کنند يا به علت نقص ژنتيکی، کلسيم به مقدار کافی جذب استخوان‌هايشان نمی‌شود.

استخوان که يک چندسازه به شمار می‌رود، با بتون مسلح دو تفاوت اساسی دارد. نخست اين که زنده است . لابه‌لای ماده‌ی زمينه‌ای استخوان که در واقع چند سازه‌ای از رشته‌های کلاژن و بلورهای کلسيم است، سلول‌های استخوانی قرار دارند که پيوسته استخوان را نوسازی می‌کنند. ديگر آن که اين چند سازه بسيار سخت‌تر و ماندگارتر است و ماندگاری را بيش‌تر از زنده بودن خود و نوسازی پيوسته به ارمغان می‌برد.

مولکول‌های شيشه شور

در غضروف‌ها، کلاژن در ماده‌ی زمينه‌ای ژل مانندی قرار می‌گيرد و چندسازه‌ای با ويژگی‌های گوناگون به دست می‌آيد. اين چندسازه در محل مفصل‌ها باعث کاهش اصطکاک می‌شود و مانند فنر در خودروها، شوک حاصل از ضربه‌ها را کاهش می‌دهد. افزون بر اين، به خاطر انعطاف‌پذيری ويژه‌ای که دارد به عنوان ماده‌ی اصلی سازنده‌ی بخش بيرونی گوش، نوک بينی و اسکلت جنين به کار رفته است.

ماده‌ی زمينه‌ی اين چندسازه ازمولکول‌هايی به نام پروتئوگليکان(proteoglycan) تشکيل شده است. مولکول‌های پروتئوگليکان اسکلت پروتئينی ميله‌ای شکلی دارند که شاخه‌های بسياری از جنس کربوهيدرات به آن متصل هستند، اين ساختمان به يک برس شيشه‌شور می‌ماند. زنجيره‌های قندی پروتئوگليکان‌ها بارهای منفی فراوانی دارند و بنابراين ابر متراکمی از کاتيون‌ها (مانند ⁺ Na) در پيرامون آن‌ها شکل می‌گيرد. اين ابر باعث می‌شود مقدار زيادی آب به ماده‌ی زمينه جذب شود و محيط ژل مانندی را فراهم کند که برای تحمل فشار بسيار مناسب است. رشته های کلاژنی که در اين محيط پر آب جای دارند باعث مقاومت چندسازه در برابر کشش می‌شوند.

غضروف گوش خارجی نسبت به غضروف مفصل زانو به انعطاف‌پذيری بيش‌تری نياز دارد. رشته‌های کشسانی در غضروف گوش وجود دارد که از پروتئينی به نام الاستين(elastin)ساخته شده‌اند. رشته‌های الاستين در ديواره‌ی رگ‌ها و پوست نيز وجود دارند و به اين چند سازه‌ها خاصيت کشسانی می‌بخشند. بنابراين، پروتئين‌های رشته‌ای کلاژن و الاستين با قرار گرفتن در ماده‌ی زمينه‌ای گوناگون، چند سازه‌هايی با ويژگی‌های جادويی می‌آفرينند. البته، آرايش رشته‌های پروتئينی نيز در تعيين ويژگی‌های چند سازه‌های بدن مؤثر است. برای نمونه، در رباط‌ها و زردپی‌ها، رشته‌های کلاژن با آرايش منظمی از درازا کنار يکديگر رديف شده‌اند. اين آرايش به دسته کردن چند ترکه‌ی چوب می‌ماند که شکستن آن‌ها را دشوار می‌سازد.

چند سازه ی گياهی

برخلاف سلول‌های جانوری، سلول‌های گياهی را ديواره‌ی سختی به نام ديواره‌ی سلولی در برمی‌گيرد. اين ديواره به پيکر گياهان سختی و پايداری می‌بخشد. بدون اين ديواره، گياهان مانند ژله بر سطح زمين پهن خواهند شد. اين ديواره نيز گونه‌ای چندسازه است. در اين چندسازه، رشته‌های بسيار سخت سلولوز در زمينه‌ای از پکتين، همی‌سلولوز و ليگنين قرار گرفته‌اند.

الگو برداری از طبيعت

مادر طبيعت، مواد ساده‌ای مانند قند و پروتئين را بر می‌گزيند و با آميختن آن‌ها با يکديگر، ترکيب‌های پيچيده‌‌ای می‌سازد که اغلب چند نقش مهم از خود به جا می‌گذارند. اما آدمی از ترکيب‌های پيچيده به عنوان ماده‌ی اوليه استفاده می‌کند و آن‌ها را به شيوه‌ای ساده با هم مخلوط می‌کند، به اميد اين که چيز خوبی از آن‌ها به دست آورد. شکی نيست که ما چيزهای خوبی برای خودمان ساخته ايم. اما هنوز نمی‌توانيم چنان کنيم که طبيعت هر روز انجام می‌دهد.

اغلب سازه‌هايی که بشر ساخته است به خوبی چندسازه‌های طبيعی نيستند، زيرا مادر طبيعت طی ميليون‌ها سال تکامل جانداران، ويژگی‌های اين مواد را بهبود بخشيده است. از اين رو، شمار فراوانی از دانشمندان علم مواد تصميم گرفته‌اند با الگوبرداری از طبيعت، چندسازه‌هايی بسازند که ويژگی‌های بهتری داشته باشند. اين چند سازه‌ها با طبيعت نيز مهربان‌تر هستند. در ادامه فهرستی از تازه‌ترين دستاوردهای پژوهشگران معرفی می‌شود:

1. انويرون(environ): اين چند سازه از 40 درصد کاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سويا و 20 درصد ترکيب‌های ديگر (از جمله رنگ‌دهنده‌ها و کاتاليزگری که در حضور آب کارا می‌شود و گرد سويا را به رزين دگرگونه می‌کند) ساخته می‌شود. فراورده‌ی کار، يک چندسازه‌ی زيستی است که ظاهری سنگ مانند دارد، اما مانند چوب می‌توان آن را بريد. از اين چندسازه می‌توان هر نوع ابزار چوبی را با ظاهری سنگ مانند ساخت.

2. پلاستيک چوبی: در اين نوع چندسازه، رشته‌های سلولوزی به دست آمده از کاغذ روزنامه يا خاک‌اره درون رزين‌هاس حساس به دما مانند پلی پروپيلن، پلی اتيلن، پلی استيرن و پلی وينيل کلريد(PVC) جای می‌گيرند. از اين نوع چند سازه می‌توان در بدنه‌ی خودرو و بخش‌های درونی آن و نيز در لوازم خانگی از جمله دسته‌ی قيچی، دسته‌ی قلم مو و پوشش ديسکت‌های رايانه بهره گرفت. در اين حالت، فراورده‌هايی در اختيار داريم که ظاهری چوب مانند دارند، اما ويژگی‌های پلاستيک را از خود نشان می‌دهند.

3. چندسازه‌ی الکترونيک: در اين نوع چندسازه مواد زنده(پروتئين‌های باکتری‌ها و ويروس‌ها و رشته‌های DNA) با مواد معدنی (ذره‌های فلز و نيمه رساناها) درهم می‌آميزند و چندسازه‌ی ظريفی به دست می‌آيد که می‌توان از آن برای توليد تراشه‌های رايانه‌ای بسيار کوچک و ديگر ابزارهای الکترونيک بهره گرفت. در واقع،‌ اين چند سازه‌ها حلقه‌ی ارتباطی شيمی معدنی و زيست‌شناسی مولکولی هستند.

به تازگی انجلا بلچر(Belcher) و ساندرا ولی(Whaley) از ويروس‌ها، پروتئين‌هاييبه دست آورده‌اند که با گاليم، آرسنيد، سيلسيم، ينيديوم فسفيدها و روی‌سلنيد ترکيب می‌شوند. آنان با بررسی بيش از 100 ميليون ويروس به اين پروتئين‌ها دست يافتند و با بهره‌گيری از ساز و کارهای تکامل، پروتئين‌هايی را گزينش کردند که به نيمه‌رساناها می‌پيوندند. سپس اين پروتئين‌ها را با استفاده از باکتری‌ها به توليد انبوه رساندند. به اين ترتيب، آن ها به مواد اوليه‌ی چند سازه‌ای دست پيدا کردند که اميد می‌رود دنيای الکترونيک را دگرگون کند.

4. چند سازه‌ای که خود را بازسازی می‌کند: پژوهشگران دانشگاه اليسون، کپسول‌های بسيار ريزی را همراه کاتاليزگر ويژه، درون زمينه‌ی يک چندسازه جای داده‌اند. اين کپسول‌ها حاوی مواد ترميم کننده هستند که با شکسته شدن چند سازه و از هم پاشيدن کپسول‌ها آزاد می‌شوند. هنگامی که اين مواد با کاتاليزگر موجود در زمينه‌ی چندسازه برخورد پيدا کنند، به فرايند بسپارش وارد می‌شوند و شکستگی را بازسازی می‌کنند. باتوجه به اين که برخی از شکستگی‌ها درعمق يک ساختار به وجود می‌آيند وتشخيص و ترميم آن‌ها بسيار دشوار است، اين چند سازه‌ها می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در الکترونيک، صنايع هوايی و فضايی داشته باشند. اين چند سازه‌ها با الگوبرداری از خاصيت ترميم پذيری چند سازه‌های زيستی طراحی شده‌اند.

5. چند سازه‌ای برای استخوان: پژوهشگران تلاش می کنند تا با استفاده از بلورهای هيدروکسی آپاتيت‌، ‌مولکول‌های کلاژن و ديگر اجزای مورد نياز، چند سازه‌ای بسازند که بتوان از آن برای ترميم يا جايگزينی استخوان‌ها استفاده کنند.

نتيجه‌

ويژگی‌های يک چند سازه فراتر از ويژگی‌های خرده‌های سازنده‌ی آن است. با وجود اين، برای به دست آوردن چندسازه‌ای با ويژگی‌های مورد نظر، يک شيمی‌دان بايد ويژگی‌های موادی را که می‌خواهد در چندسازه بگنجاند به خوبی بشناسد. در واقع ، کار او شناخت ويژگی‌های مواد و ترکيب ويژگی‌ها برای به دست آوردن ويژگی‌های تازه است. بنابراين، افزايش شناخت ما از ساختمان و ويژگی‌های موادی که در جهان زنده يافت می‌شود، می‌تواند ما را به سوی چندسازه‌هايی رهنمون شود که افزون بر داشتن ويژگی‌های جادويی، دوست خوبی برای طبيعت نيز باشند.

منبع:

1.Tom Matthams.Perfect partnerships. New scientist 2001 20 January

2. http://www.buildinggreen.com/

3. Whaley, Sandra R.; English, D. S.; Hu, Evelyn L.; Barbara, Paul F.; Belcher, Angela M.. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly. Nature (London) (2000), 405(6787), 665-668.

4. Mimicking Biological Systems, Composite Material Heals Itself. ScienceDaily