در پژوهشی تازه از دانشگاه پرینستون، دانشمندان برای الهام گرفتن از طراحی طبیعی، به سراغ صدف دریایی رفتند و ماده‌ی درخشان درون آن، یعنی مروارید صدفی (Nacre) را مورد مطالعه قرار دادند. با شبیه‌سازی ویژگی‌های ساختاری Nacre در مقیاس میکروسکوپی، پژوهشگران توانستند مقاومت سیمان را تا ۱۷ برابر نسبت به نمونه‌ی معمولی افزایش دهند.
دانشمندان همواره در تلاش‌اند مواد ذاتاً شکننده مانند بتن یا سرامیک را مقاوم‌تر و بادوام‌تر کنند. این بار الهام آن‌ها از یکی از غیرمنتظره‌ترین منابع ممکن یعنی صدف‌های دریایی فوق‌العاده مقاوم بوده است.
یکی از شناخته‌شده‌ترین ویژگی‌های این نرم‌تنان دوکفه‌ای دریایی، همان ماده‌ی درخشان Nacre یا مروارید صدفی است که لایه‌ی درونی صدف را می‌پوشاند. هرچند این ماده سال‌هاست در ساخت جواهرات استفاده می‌شود، اما از نظر معماری نیز شگفت‌انگیز است. Nacre از قرص‌های شش‌ضلعی میکروسکوپی از جنس آراگونیت (یکی از رایج‌ترین شکل‌های طبیعی کربنات کلسیم) تشکیل شده که با لایه‌ای نرم از بیوپلیمر مانند نوعی چسب آلی به هم متصل شده‌اند.
با ترکیب استحکام آراگونیت و انعطاف‌پذیری بیوپلیمر، Nacre ساختاری بسیار منعطف و مقاوم در برابر ترک دارد؛ به‌حدی که دانشمندان دپارتمان مهندسی عمران و محیط‌زیست دانشگاه پرینستون این پرسش را مطرح کردند که آیا این ساختار طبیعی که طی نیم میلیارد سال تکامل یافته است، می‌تواند به بهبود مصالح ساختمانی انسانی نیز کمک کند یا نه. نتایج این تحقیق در مجله Advanced Functional Materials منتشر شد.
شاشانک گوپتا، یکی از نویسندگان مقاله و دانشجوی تحصیلات تکمیلی پرینستون، گفت: «هم‌افزایی بین اجزای سخت و نرم Nacre نقش اساسی در ویژگی‌های مکانیکی چشمگیر آن دارد. اگر بتوانیم بتن را طوری طراحی کنیم که از گسترش ترک‌ها جلوگیری کند، می‌توانیم آن را مقاوم‌تر، ایمن‌تر و بادوام‌تر بسازیم.»
برای دستیابی به این هدف، تیم گوپتا سه نوع تیر چندلایه ساخت که از لایه‌های متناوب خمیر سیمان و پلیمر نازک تشکیل شده بود. در اولین نمونه، این دو ماده به‌صورت ساده روی هم قرار گرفتند. در نمونه‌ی دوم، شیارهای شش‌ضلعی در خمیر سیمان ایجاد شد و در سومین نمونه، خمیر سیمان کاملاً برش خورده و به صفحات شش‌ضلعی یا همان «قرص‌ها» تقسیم شد. هر سه نمونه با یک تیر مرجع از خمیر سیمان خالص (بدون لایه‌ی پلیمری یا شیار) مقایسه شدند.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که تیر مرجع شکننده و فاقد انعطاف‌پذیری بود، در حالی که هر سه نمونه‌ی چندلایه مقاومت بسیار بیشتری از خود نشان دادند. با این حال، نسخه‌ای که دارای صفحات شش‌ضلعی مشابه Nacre بود، بهترین عملکرد را داشت. این تیر با تقلید از سازوکار Nacre در مقیاس میکروسکوپی، ۱۷ برابر مقاوم‌تر و ۱۹ برابر چقرمه‌تر از نمونه‌ی معمولی عمل کرد، بدون آن‌که از استحکام کلی آن کاسته شود.
رضا معینی، از نویسندگان همکار این پژوهش، در بیانیه‌ای گفت: «رویکرد ما در الهام از طبیعت این‌گونه نیست که ساختار طبیعت را دقیقاً کپی کنیم، بلکه می‌خواهیم اصول بنیادی آن را بیاموزیم و در طراحی مواد انسانی به کار ببریم. یکی از سازوکارهای کلیدی که Nacre را مقاوم می‌کند، لغزش قرص‌ها در مقیاس نانومتری است. به بیان دیگر، ما به‌صورت آگاهانه نقص‌هایی را در مواد شکننده مهندسی می‌کنیم تا آن‌ها را از نظر طراحی مقاوم‌تر کنیم.»
تقویت سیمان نه تنها به ساخت‌وساز ایمن‌تر منجر می‌شود، بلکه به حفظ سلامت سیاره ما نیز کمک خواهد کرد؛ زیرا تولید سیمان حدود ۸ درصد از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای جهان را تشکیل می‌دهد. با این حال، هرچند نتایج این پژوهش امیدوارکننده است، اما روش چندلایه با صفحات شش‌ضلعی Nacre هنوز به بهینه‌سازی بیشتری نیاز دارد تا بتواند در صنعت ساختمان به‌کار گرفته شود.
source
کلاس یوس