استلهام الأعاجيب الطبيعية لصنع مواد جديدة


يمكن لدودة الشعر الخشن الصغيرة ، التي تلتف حول المحيط ، أن تمدّ فكها خارج فمه لإثارة فريسته. يتكون الفك الذي يغير شكل الدودة ، والذي يكون قاسيًا في القاعدة ومرنًا في النهاية ، من مادة فردية واحدة تحتوي على الزنك المعدني وحامض الأمين الأميني ، اللذين يحكمان معًا السلوك الميكانيكي للمفصل من خلال ما يعرف باسم كيمياء تنسيق المعادن.

ويريد علماء مثل LaShanda Korley ، أستاذ مشارك متميز في علوم وهندسة المواد والهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة ديلاوير ، إعادة إنشاء هذه الكيميائيات وبناء هياكل مماثلة في المواد الاصطناعية. من خلال القيام بذلك ، يمكنهم تطوير مواد جديدة ومحسّنة للاستخدام في أجهزة الاستشعار وتطبيقات الرعاية الصحية وغير ذلك الكثير. الكيمياء مثل هذه في كل مكان في الطبيعة. تفاعل البروتين الحديدي في دم الإنسان ، على سبيل المثال ، يمكن أن يكون محددًا للأمراض.

في ورقة نُشرت في عدد يوليو من عام 2019 من المجلة الأوروبية للبوليمر ، وصف كورلي ، وانضم إلى طالب الدكتوراه في علوم المواد والهندسة تشيس تومبسون وزميلة ما بعد الدكتوراه سراف تشاترجي ، كيف قاموا ببناء شبكة من المواد المصنوعة من الزنك والبوليمرات ، التي تحاكي التدرج الميكانيكي للفك دودة الخشن.

تم تمويل هذا المشروع ، الذي توج بأكثر من خمس سنوات من العمل ، بمنحة من المؤسسة الوطنية للعلوم. وقال كورلي إن الهدف من ذلك هو استخدام أنظمة المواد الطبيعية لفهم كيفية التحكم في تفاعل الميزات الهيكلية ، وخاصة الخواص الميكانيكية ، من خلال الجمع بين الهياكل الديناميكية والدائمة.

"الفكرة هي: هل يمكن أن تجمع شيئين لا يحبذان بعضهما البعض حقًا وتستعينان بفكرة الديناميات هذه كوسيلة للتحكم في كيفية إطلاق الطاقة في النظام ، والتي تتعلق بالسلوك الميكانيكي؟" قالت.

قام الفريق بتقليد بنية نظام فك الدودة الخشن عن طريق إضافة بوليمر supramolecular منسق بالزنك إلى شبكة جليكول بولي إيثيلين متشابكة التشابك. مع التركيزات الصحيحة ، وجدوا أنه يمكنهم التحكم في الخواص الميكانيكية للمادة. "إن الشبكة الدائمة التي نستخدمها لإيواء هذه التفاعلات الديناميكية هي منصة جيدة لتحقيق هذه الهياكل التدرج" ، وقال طومسون. بعد ذلك ، يعتزم البحث عن طرق للتأثير على ذاكرة الشكل والخصائص الأخرى لهذه المواد.

تستخدم كورلي إلهامًا من الطبيعة لتصميم مجموعة متنوعة من المواد. وهي المحقق الرئيسي في PIRE: المواد والأنظمة المستوحاة من علم الأحياء ، وهي منحة مدتها خمس سنوات بقيمة 5.5 مليون دولار من المؤسسة الوطنية للعلوم.

من خلال هذا المشروع ، يدرس كورلي والمتعاونون في جامعة كيس ويسترن ريزيرف ، وجامعة كاليفورنيا ، وسان دييغو ، وجامعة شيكاغو ، وجامعة فريبورج السويسرية ، وجامعة ستراثكلايد بالمملكة المتحدة ، ويطورون مواد يمكنها تغيير المتانة استجابة لبيئتهم. ، هي عمليات زرع بيولوجية أكثر أمانًا وفعالية ، وترسل إشارات كهربائية تشبه الأعصاب ، ويمكن أن تستجيب للبيئة لبدء العمليات البيولوجية ، وكل ذلك للاستخدام في تطبيقات روبوتية ناعمة.

على سبيل المثال ، يدرس الباحثون طرقًا لصنع مواد قوية مثل حرير العنكبوت والمواد التي تغير شكلها استجابةً للرطوبة ، مثل مخاريط الصنوبر ، التي تفتح في ظروف جافة وتغلق في رطبة. كما أنهم يستخدمون خصائص المواد الفريدة التي يكشفونها لتطوير مواد مطبوعة ثلاثية الأبعاد جديدة.

تتزايد دراسة المواد اللينة والبوليمرات ، التي تعد قوة طويلة في UD ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى خبرة كورلي. قام كل من كورلي وتوماس إيبس ، ثالثًا ، أستاذ التطوير الوظيفي الأول في توماس وكيب جوتشال في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية وعلوم وهندسة المواد ، بتشكيل مركز أبحاث جديد ، هو مركز أبحاث المواد اللينة والبوليمرات (CRISP). تتعاون Korley و Epps مع الباحثين في Chemours وقد نشرت مؤخرًا مقالة مراجعة حول علاقات هيكل الملكية في الطلاء السطحي البوليمري في مجلة ACS Applied Polymer Materials.

يشمل مشروع أبحاث كورلي أيضًا التواصل مع طلاب المرحلة الجامعية ، والذين يمكنهم الاستفادة بشكل كبير من الخبرة البحثية التي تكمل عملهم في الفصل.

وقالت "الأبحاث تمنحك منصة لتلقي هذا التدريب الأساسي من الفصل الدراسي وتكون قادرة على تطبيقه على مشكلة". "في المختبر ، يتعلم الطلاب التفكير من خلال المشكلات وعرض أعمالهم والتواصل معهم ، وأن يكونوا قادة ولاعبين في الفريق. لدينا كل هذه الجوانب في دوراتنا ، لكنني أعتقد أن هناك طريقة كلية يمكن لأبحاث المرحلة الجامعية من خلالها تدريب الطلاب على إفعل ذلك."

كورلي شغوفة بنفس القدر بأنشطة التوعية التي تقدم الفتيات في المدارس الثانوية إلى العلوم والهندسة. شارك طلاب من مختبرها في التدريس في أكاديمية سرفيام للبنات في نيو كاسل بولاية ديلاوير.

وقالت: "إن أكبر شيء بالنسبة لي هو إحداث تأثير ، أن أكون متعاوناً ، وأن أشارك فعلاً مع المجتمع الأوسع". "هذا مهم بالنسبة لي."

شارك المقالة عبر:

اترك تعليقا:

اعلانك هنا