כשהפגם הופך ליתרון: חוקרים יצרו שיטה לשיבוש מבנה של חומרים לפי דרישה

"כולנו מבינים באופן אינטואיטיבי את ההבדל בין גיליון נייר שטוח לבין אותו גיליון, כשאנו מקמטים אותו והופכים אותו לכדור", מסביר פרופ' שוקף מבית הספר להנדסה מכנית. "הדף הוא שטוח וגמיש, ואילו הכדור מקומט וקשיח. במילים אחרות, הכדור הוא מטא-חומר מכני – חומר שתכונותיו המכניות השתנו בעקבות שינוי צורה." אז למה שלא "נקמט" את החומר באופן שיהפוך אותו לגמיש ועמיד בפני פגיעות?

חוקרים בהובלת פרופ' יאיר שוקף פיתחו שיטה חדשה לתכנון מטא-חומרים מכניים ולשליטה בתכונותיהם – באמצעות השתלה יזומה של פגמים מבניים בחומר. השיטה עשויה לשמש מהנדסים ומתכננים מתחומים רבים – מתעופה ורכב ועד לאריזות חכמות. המחקר בוצע בשיתוף עם חוקרים במכון AMOLF באמסטרדם ובאוניברסיטת ליידן בהולנד, והתפרסם בכתב העת .Nature Physics

הפגמים שעושים את ההבדל

"חיפשנו שיטה שתאפשר לנו לשנות את הצורה והמבנה הפנימי של חומר באופן מבוקר, כדי ליצור מטא-חומר עם תכונות מכניות רצויות. לשם כך שתלנו פגמים במערך של אבני הבניין המרכיבות את המטא-חומר שיצרנו." מסביר פרופ' שוקף.

לשבש את שלמות הפאזל

בשלב הראשון תכננו החוקרים מודל של חומר נטול פגמים: מבנה שטוח העשוי מאבני בניין משולשות היוצרות שקעים ובליטות, שמתחברות זו לזו כמו פאזל – בליטה בתוך שקע.

בשלב השני הם יצרו במודל פגם מבני: הם סובבו שורה של אבני בניין, כך שהן לא יתחברו עוד באופן הרמוני לחלקים בשורות הסמוכות. "פגם כזה מכונה פגם גלובלי או פגם טופולוגי", אומר פרופ' שוקף.

המודל 'הפגום' הוזן למדפסת תלת-מימד, שהדפיסה אותו בחומר ממשי. לדברי פרופ' שוקף, "תוצר ההדפסה היה מטא-חומר מכני חדשני – הראשון שנוצר אי-פעם שיש לו התנהגות א-סימטרית." בניגוד לחומר המושלם, נטול הפגמים, שהוא רך מכל צדדיו, המטא-חומר הפגום הוא רך בצדו האחד וקשיח בצד השני. יותר מכך, כשמחליפים צדדים, לוחצים על צדו האחד ומושכים בצד השני, המצב מתהפך: חלקים קשיחים הופכים לרכים, ולהפך.

שינוי במבנה החומר על פי דרישה

"במחקר שלנו פיתחנו פלטפורמה חדשנית לתכנון מטא-חומרים מכניים, שעשויים להתאים למגוון רחב של תחומים ושימושים", מסכם פרופ' שוקף. "הפלטפורמה מתבססת על שתילת פגמים יזומים במערך הפנימי של אבני הבניין, והיא מאפשרת ליצור באופן מבוקר מטא-חומר בעל תכונות מכניות חדשות, על פי דרישה. כך לדוגמה ניתן לתכנן מעטפת למערכות טכנולוגיות שתנתב כל מכה מכנית לאזורים עמידים, ותמנע פגיעה ברכיבים אלקטרוניים עדינים; ריפוד חכם לכוסות שבירות; רכב שבמקרה של תאונה מנתב את כוחות המעיכה הרחק מהנוסעים; ואף 'מלקחיים' ננומטריים שמעבירים כוח מכני מצדם האחד לצדם האחר כדי ללכוד חלקיקים זעירים."