هل سيتمُّ بناءُ المنشآتِ الكبيرةِ في المستقبلِ باستخدامِ آلاتٍ ضخمةٍ وعلى مساحاتِ بناءٍ واسعةٍ فقط؟ أم سيتمُّ بناؤها على المستوى المجهريّ أيضاً؟

محاكاةُ بنيةِ الخلايا في الطَّبيعة من خلالِ تقنيَّةِ الطِّباعةِ ثلاثيَّةِ الأبعاد

الطَّبيعةُ تصنعُ أشياءً رائعةً بأقلِّ كميَّةٍ من المواد. العشبُ على سبيلِ المثالِ، يستطيعُ أن يدعمَ وزنَه ويقاومَ أحمالَ الرِّياحِ القويَّةِ وأن يستعيدَ شكلَهُ بعدَ أن يتعرَّضَ للضَّغطِ.
إنَّ صلابةَ النَّباتاتِ تعودُ إلى مزيجٍ من بنيتِها المجوَّفةِ والأنبوبيَّةِ، إضافةً إلى هيكليَّتها المجهريَّةِ من الخلايا والمساماتِ. هذهِ المزايا المعماريَّة تعملُ سويَّةً لتعطي العشبَ خصائصَ ميكانيكيَّةً متينةً.

حيثُ قامَ باحثونَ في كليَّةِ هارفارد جون أ. بولسون للهندسةِ والعلومِ التَّطبيقيَّةِ SEAS ومعهدِ ويس للهندسةِ المستوحاةِ منَ البيولوجيا ومعهدِ ماساتشوستس للتكنولوجيا، بتطويرِ طريقةٍ جديدةٍ مستوحاةٍ من بنيةِ الخلايا في الطَّبيعةِ من أجلِ طباعةِ مواد بتقنيَّةِ الطِّباعةِ الثُّلاثيَّةِ الأبعادِ، معَ إمكانيَّةٍ لضبطِ المساماتِ الكبيرةِ والمجهريَّةِ للمادَّةِ بشكلٍ مستقلٍّ باستخدامِ حبرٍ من رغوةِ السِّيراميك


Image: Image courtesy of James Weaver/Wyss Institute

هذا الأسلوبُ يمكنُ أن يُستخدمَ لتصنيعِ مواد بناءٍ خفيفةٍ ومواد العزل الحراري أو هياكلَ مجهريَّةٍ لترميمِ الأنسجةِ الحيويَّةِ.

"من خلالِ توسيعِ مساحةِ المركَّباتِ للمواد القابلةِ للطِّباعةِ، يمكننا أن ننتجَ هياكلَ خفيفةً وبصلابةٍ استثنائيَّةٍ." تقولُ جينيفر لويس، دكتورةُ الهندسةِ المستوحاةِ من البيولوجيا في SEAS وكبيرة المؤلِّفينَ للورقةِ العلميَّةِ.
هذا الحبرُ من رغوةِ السِّيراميكِ الذي يُستخدمُ من قبلِ مخبرِ الدُّكتورةِ لويس يحتوي على جزيئاتِ أكسيدِ الألمنيوم والماء والهواء.

"الحبرُ الرَّغوي مثيرٌ للاهتمامِ لأنَّهُ يتيحُ لكَ النَّمذجةَ الرَّقميَّةَ للبنى الخلويَّةِ المجهريَّةِ ضمنَ البنى الخلويَّةِ الأكبرِ، يقولُ جوزف ماث، طالبُ ماجستير في مخبرِ الدُّكتورةِ لويس وأوَّلُ مؤَلِّفٍ للورقةِ العلميَّةِ: "بعدَ تصلُّبِ الحبرِ نحصلُ على بنيةٍ مؤلَّفةٍ من هواءٍ محاطٍ بمادَّةِ السِّيراميكِ بمقاييسِ طولٍ متعدِّدةٍ. من خلالِ إيجادِ مساماتٍ ضمنَ الهيكلِ، يمكنُ الحصولُ على خصائصَ جديدةٍ لم تكن موجودةً ضمنَ الهيكلِ من قبل."


Image: Image courtesy of James Weaver/Wyss Institute

من خلالِ التَّحكُّمِ بالبنيةِ المهجريَّةِ للرَّغوةِ، قامَ الباحثونَ بتعديلِ خصائصِ الحبرِ وكيفيَّةِ تغيُّرِ شكلِها على المستوى المجهريّ. وبمجرَّدِ تحسينها، قامَ الفريقُ بطباعةِ أقراصٍ سداسيَّةٍ وثلاثيَّةٍ خفيفةِ الوزنِ، وبصفاتٍ قابلةٍ للتَّعديلِ كالأبعادِ والكثافةِ والصَّلابةِ.
"هذهِ العمليَّةُ تجمعُ الأفضلَ من كلا العالمين، حيثُ تحصلُ على التَّحكُّمِ بالبنيةِ المجهريَّةِ بمعالجةِ الرَّغوةِ والتَّحكُّمِ المعماريّ الشَّامل بالطِّباعةِ. ولأنَّنا نقومُ بطباعةِ شيءٍ يحتوي سلفاً على بنيةٍ مجهريَّة محدَّدةِ لسنا بحاجةٍ لنمذجةِ كلِّ جزءٍ بحدِّ ذاتِه. وهذا فتحَ المجالَ لصنعِ هياكلَ بتسلسلٍ هرميِّ محدَّدةٍ بطريقةٍ يمكنُ التَّحكُّمُ بها أكثرَ ممَّا كانت عليهِ من قبل" كما توضِّحُ لورنا غيبسون، أستاذةُ الهندسةِ وعلمِ المواد في ماتولاس سالاباتاس Matoulas S. Salapatas في معهدِ ماساتشوستس للتكنولوجيا التي شاركت في تأليفِ الورقةِ.
ويضيفُ ماث: "يمكننا الآن صنعُ مواد متعدِّدةَ الاستعمالِ، حيثُ أنَّ خصائصَ المادَّةِ المختلفةِ بما فيها المزايا الميكانيكيَّة، الحراريَّة وخواصُّ النَّقلِ يمكنُ تعديلُها لتلائمَ ظروفَ عملِها ضمنَ منشأ قابلٍ للطِّباعةِ في خطوةٍ واحدةٍ."

على الرَّغمِ من أنَّ الفريقَ ركَّزَ على مادَّةِ سيراميكٍ واحدةٍ من أجلِ هذهِ الدِّراسةِ، إلَّا أنَّ تقنيَّةَ الحبرِ الرَّغوي القابلِ للطِّباعةِ منَ الممكنِ أن تُصنَعَ من مواد سيراميكيَّةٍ ثانيةٍ إضافةً لمواد أخرى مثلَ المعادنِ والبوليميرات.

المصدر:
هنا