تصور کنید تکه‌ای یخ را در اتاق پرتاب کنید و به‌جای خرد شدن، خم شدن آن را ببینید. تصویر عجیبی است؟ این همان رفتاری است که پژوهشگران در مطالعه‌ای تازه از دانشگاه عبری اورشلیم تلاش کرده‌اند از یخ به دست بیاورند.
این ماده که بیوپایکریت نام دارد، نوعی یخ مهندسی‌شده است که بلورهای بسیار ریز گیاهی را با پروتئین‌های دقیق طراحی‌شده ترکیب می‌کند تا ماده‌ای یخ‌زده بسازد که در برابر فشار تقریبا ده برابر قوی‌تر از یخ معمولی است و پیش از شکست، حدود ۷۰ برابر انرژی بیشتری جذب می‌کند. به بیان ساده‌تر، این ماده در برابر ترک خوردن و خرد شدن ناگهانی که از یخ انتظار داریم مقاومت می‌کند و به‌جای آن، به‌آرامی تغییر شکل می‌دهد و می‌شکند؛ رفتاری شبیه یک کامپوزیت مهندسی‌شده شکل‌پذیر، نه یخ شکننده.
چطور می‌توان یخ را وادار کرد چنین رفتاری داشته باشد؟ راز کار در مقیاس میکروسکوپی نهفته است. نانوبلورهای سلولزی، یعنی ذرات سخت و میله‌ای‌شکل که از دیواره سلول‌های گیاهی استخراج می‌شوند، هنگام یخ زدن مخلوط، در اطراف حفره‌های ریز یخ یک داربست سه‌بعدی می‌سازند. این الیاف به‌تنهایی هم کمک‌کننده‌اند، اما جهش اصلی از یک پروتئین مصنوعی می‌آید که تیم پژوهشی آن را طوری مهندسی کرده تا مانند یک پل مولکولی عمل کند؛ یک سر آن به یخ می‌چسبد و سر دیگرش به سلولز متصل می‌شود. این پل، شبکه نانوبلورها را به شبکه بلوری یخ مهار می‌کند و ساختاری کاملا یکپارچه پدید می‌آورد که در برابر شکست مقاومت بیشتری دارد.
افزودنی ساده، اثر بزرگ. وقتی پژوهشگران پروتئین اتصال‌دهنده را در کنار نانوبلورهای سلولزی به مخلوط اضافه کردند، هم استحکام فشاری و هم جذب انرژی در مقایسه با مخلوطی که فقط نانوبلور داشت، تقریبا دو برابر شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه‌های خشک‌شده به روش انجمادی، معماری متخلخل و الیافی را نشان می‌دهد که عامل چقرمگی بیوپایکریت است؛ منظره‌ای درونی که ترک‌ها را وادار می‌کند بپیچند، متوقف شوند یا به‌جای عبور مستقیم از میان ماده، دور موانع حرکت کنند.
درون «یخ فوق‌مقاوم»: (الف تا ج) تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه‌های خشک‌شده به روش انجمادی، شبکه‌ای را نشان می‌دهد که توسط بلورهای بسیار ریز سلولزی شکل گرفته است. ردیف بالا ماده را با بزرگ‌نمایی ۴۰ برابر و ردیف پایین با بزرگ‌نمایی ۹۰ برابر نشان می‌دهد. (د) نمودار، اندازه حفره‌های شبکه را زمانی مقایسه می‌کند که پروتئین ضدیخ ای‌اف‌پی ۳ به‌تنهایی افزوده شده و زمانی که به پروتئین اتصال‌دهنده به سلولز سی‌بی‌ام ۳ای پیوند خورده است. برای هر ماده، هشت بخش نمونه تحلیل شد.
در اینجا ردپایی تاریخی هم دیده می‌شود. در جنگ جهانی دوم، مهندسان روی پایکریت آزمایش می‌کردند؛ یخی تقویت‌شده با خمیر چوب برای ساخت سازه‌های شناوری که نسبت به یخ ساده دیرتر ذوب و شکسته می‌شدند. بیوپایکریت خویشاوند امروزی و مولکولی همان ایده است: به‌جای الیاف درشت چوب، از تقویت‌کننده‌های نانومقیاس و پیوندهای پروتئینی طراحی‌شده استفاده می‌کند تا عملکرد مکانیکی را از پایه و در سطح مولکولی تنظیم کند.
کاربرد عملی، هدف اصلی این پژوهش است. انتقال بتن و فولاد به مناطق قطبی پرهزینه و از نظر زیست‌محیطی چالش‌برانگیز است. ماده‌ای که عمدتا از آب و سلولز گیاهی ساخته می‌شود، می‌تواند در اصل گزینه‌ای کم‌کربن و زیست‌تخریب‌پذیر برای ساخت سازه‌های موقت یا نیمه‌دائمی در سرمای شدید باشد. باندهای فرود، پناهگاه‌ها یا سکوهای علمی را تصور کنید که به‌جای بتن حمل‌شده از راه دور، با مواد محلی منجمدشده ساخته می‌شوند.
اما امیدواری آزمایشگاهی با اطمینان در میدان عمل یکسان نیست. آزمایش‌های انجام‌شده تا اینجا در حد اثبات مفهوم بوده‌اند: آزمون‌های فشاری کنترل‌شده روی نمونه‌هایی در مقیاس سانتی‌متر و تصویربرداری میکروسکوپی از شبکه داخلی. آنچه هنوز نامشخص و بسیار مهم است، واکنش بلندمدت بیوپایکریت به تنش‌های واقعی در زمان استفاده است. این ماده در برابر چرخه‌های مکرر یخ زدن و ذوب شدن، بارهای دائمی که باعث تغییر شکل آهسته یا خزش می‌شوند، یا تکامل نقص‌های ریز در طول سالها چگونه عمل خواهد کرد؟ آیا پروتئین‌های متفاوت یا برنامه‌های انجماد دیگر می‌توانند آن را چقرمه‌تر یا بادوام‌تر کنند؟
گام‌های بعدی روشن است: باید مشخص شود شکست‌ها چگونه درون یخ تقویت‌شده آغاز و گسترش پیدا می‌کنند، گونه‌های مختلف پل پروتئینی آزمایش شوند و نمونه‌ها در ابعاد بزرگ‌تر و در شرایط محیطی واقعی بررسی شوند. اگر این آزمون‌ها موفق باشند، ایده ساخت‌وساز با یخ مهندسی‌شده می‌تواند از یک کنجکاوی آزمایشگاهی به راهکاری عملی برای کار در سردترین نقاط زمین تبدیل شود.
هرچه در ادامه رخ دهد، بیوپایکریت یادآوری می‌کند که گاهی آشناترین مواد، یعنی آب و الیاف گیاهی، وقتی طراحان به پیوند مولکولی میان اجزا دقیق نگاه می‌کنند، می‌توانند عملکردی کاملا غیرمنتظره از خود نشان دهند.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات (3)
عملی بودنش روشن نیست؛ ایده کم‌کربن و باحال به نظر میاد، اما هزینه‌ها، خزش و نگهداری توی طول سالها رو حساب نکردن. امیدوارم نتایج بلندمدت رو هم منتشر کنن
جالبه ولی واقعا در برابر چرخه یخ‌زدن و ذوب شدن دوام میاره؟ آزمایش‌های سانتی‌متری خوبن ولی توی طبیعت باید ببینیم، خیلی سوال مونده...
وای، یخ خم میشه؟! انگار دارم فیلم علمی‌تخیلی می‌بینم. جذابه اما خیلی هیجان‌زده نشیم، تا وقتی توی صحنه واقعی تست نشه...