הקשבה לעלים: הוספת ורידים בעלי השראה ביולוגית לפולימרים מוקצפים

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


שיעורים רבים הנלמדים בחיים נלמדים מעצים. תעמוד איתן. דברים טובים לוקחים זמן. תתכופף, אל תישבר. אבל מלבד מטאפורות, שכנינו הממלכתיים לעץ מציעים שפע של חוכמה מדעית – ויש לנו הרבה מה ללמוד.

פשוט מעצם קיומם, עצים הם מדעני החומרים הראשונים של הטבע. כמו צמחים רבים, יש להם מערכות כלי דם, רשתות של תעלות דמויות צינורות המעבירות מים וחומרי מזון חיוניים אחרים מהשורש, לענף, לעלה.

צוות מחקר במכון בקמן למדע וטכנולוגיה מתקדמת פיתח תהליך כימי ליצירת פולימרים מוקצפים עם מערכות כלי דם משלהם, השולט בכיוון ויישור התעלות החלולות כדי לספק תמיכה מבנית ולהזיז נוזלים ביעילות דרך החומר.

עבודתם, "קצף אנזוטרופי באמצעות פילמור חזיתי", פורסמה ב חומרים מתקדמים.

מבנה פשוט

קצפים פולימריים הם מבודדים תרמיים יעילים עם יישומים מאריזה לקירור ועד לבידוד הבית. תעלות חלולות נוצרות לעתים קרובות במהלך תהליך הפילמור, אך שיטות קיימות לכוונון המבנה שלהן – או להפוך אותן למשהו הדומה למערכת כלי דם עובדת – הסתמכו על טכניקות ומכשירים מורכבים. בראשותו של דייגו אלזטה-סנצ'ז, הצוות הזה ביקש לעצב שיטה פשוטה יותר.

"בקבוצת המחקר שלנו, צפינו במבנים דמויי ורידים אלה המופיעים בפולימרים. אבל בעוד כמה מדענים פשוט ראו את התעלות כחללים ריקים שמחלישים את הפולימר, ראינו בהם הזדמנות ליצור משהו פרודוקטיבי", אמרה אלזטה-סנצ'ז. , עמית מחקר פוסט-דוקטורט במכון בקמן.

עבור צוות זה של אוניברסיטת אילינוי, הערוצים המתרחשים באופן טבעי לא היו סיבה לדאגה, אלא מקור להשראה מדעית – או ליתר דיוק, השראה ביולוגית.

מקשיבה לעלים

כשהם מסתכלים על האלונים והמייפל המנקדים את קמפוס אורבנה, ביקשו החוקרים לצייד קצף פולימרי במערכת כלי דם המחקה את המבנה שנמצא בעצים. ארגון המערכת המתועלת במבנה מקביל מאפשר הובלת נוזלים בכיוון יחיד, שנקבע מראש.

"תחשוב על גזע עץ," אמר ג'פרי מור, מנהל מכון בקמן וה-PI על מחקר זה. "המים צריכים לנסוע בכיוון הנכון, מהשורשים לעלים. הם צריכים להגיע מנקודה א' לנקודה ב' בצורה הכי ישירה שאפשר; לא לנקודה ג' או למקום אחר לגמרי".

מכיוון שתנועה בכיוון אחד מועדפת על פני תנועה באחר, מבנה זה ידוע כאניזוטרופי, או לא שווה. דמיינו נתיבי תנועה סמוכים בכביש מהיר לכיוון צפון; לנסוע מזרחה או מערבה זה הרבה יותר מאתגר מאשר ללכת עם הזרם. בעבר, רוב מערכות כלי הדם המוטבעות בחומרי קצף עקבו אחר מבנה איזוטרופי, כאשר התעלות נעות באופן שווה לכל הכיוונים. אם אניזוטרופיה היא כביש מהיר, איזוטרופיה היא זירה של מכוניות פגוש המתארגות זו בזו בשבילים מתפתלים, רב-כיווניים.

יותר מסתם נוזלים

עבור מדען חומרים, כביש כלי דם חד כיווני מאפשר הזדמנויות ייחודיות להוביל יותר מסתם מים.

במחקר זה, Alzate-Sanchez וצוותו הדגימו את השימוש של הערוצים להובלת נוזלים דרך הפולימרים בכיוון שנקבע מראש; במבט קדימה, היכולת לייצר זרימה כיוונית יכולה להיות כרוכה בצורות שונות של אנרגיה.

"חומרים בעלי תכונות אנזוטרופיות חשובים. לדוגמה, מבודדים תרמיים אנזוטרופיים יכולים להוליך חום בכיוון אחד ולחסום אותו בכיוון ההפוך. הדבר נכון גם לגבי חשמל, אור או אפילו קול. תלוי איך מיישרים את הקצף, נשמע קול. יכול ללכת לכיוון אחד, אבל זה יהיה חסום בכיוון השני", אמר אלזטה-סנצ'ז.

נהיה תגובתי

כדי לקבוע דרך לשלוט במבנה הסלולרי של חומרים מוקצפים – ובמיוחד, אנזוטרופיה כוח – הצוות ניתח כל מרכיב של התגובה הכימית המשמשת ליצירת הפולימר.

התגובה מתחילה בשילוב מונומר הנקרא דיציקלופנטדיאן, או DCPD; זרז; וחומר ניפוח שיעזור לתת למוצר הסופי את העקביות דמוית הקצף שלו. תערובת זו, המכונה שרף, מוזגת לתוך מבחנה. חימום המבחנה מפעיל פילמור חזיתי, תגובה המרפאת – או מתקשה – את השרף למוצק תאי מוקצף. התוצר הסופי הוא poly-DCPD, המונומר המקורי DCPD עבר פילמור.

שלושה ממרכיבי התגובה היו בבדיקה: סוג חומר הניפוח בו נעשה שימוש; ריכוז חומר הניפוח; וזמן הג'ל של השרף. ג'לציה נגרמת על ידי פילמור רקע, ומתייחסת לזמן ההשהיה לפני הפעלת פילמור חזיתי, כאשר השרף בטמפרטורת החדר מקבל בהדרגה עקביות רכה דמוית ג'ל במבחנה.

החוקרים גילו שצמיגות השרף – או יכולת הזרימה שלו, תוצאה ישירה של ריכוכו במהלך תקופת הג'ל – היא האינדיקטור החזק ביותר לאנזיטרופיה בתוצר הסופי. במילים אחרות, הגדלת או הקטנת זמן הג'ל מאפשרת שליטה ישירה על המבנה הסלולרי של הקצף.

"עבודה זו מספקת דרך מהירה ויעילה ליצור מבני כלי דם כיווניים ממרכיבים ותהליכים פשוטים", אמר מור.

התכנון הניסויי הפקטורי המלא של הצוות כלל בדיקה שיטתית של 100 שילובים שונים של חומר ניפוח, ריכוז וזמן ג'ל, ומדידת רמות האניזוטרופיה, הקשיות ודרגת הנקבוביות שהושגו עם כל וריאציה.

מאמץ משותף

כל דגימת קצף נותחה באמצעות הדמיית טומוגרפיה ממוחשבת בקרני רנטגן. השילוב החדש של קצף פולימרי עם הדמיית מיקרו-CT – טכנולוגיה השמורה בדרך כלל לניתוח חומרים קשים – היה מיזם שיתופי ייחודי בהשתתפות מחברת-השותף מריאנה קרש, פרופסור חבר למדע והנדסת מכונות.

"מה שבקמן עושה טוב הוא לעודד תרבות שבה אנו מכירים בכך שיש לנו הרבה מה ללמוד אחד מהשני, גם אם היישומים שלנו שונים", אמר קרש. "חילופי הדברים והנכונות ללמוד על משהו אחר מלבד אזור הליבה שלך הביאו לכך שהרעיון שניתן להשתמש בכלים שלנו בעצם כדי לאפיין את הנקבוביות בקצף נראה פתאום ברור ואינטואיטיבי."

בנוסף ל-Alzate-Sanchez, Moore, and Kersh, מחברי מחקר זה כוללים עוזר מחקר בוגר מורגן סנצ'ר, בוגר מדעי החומר וההנדסה האחרון מייקל רוגלסקי, וננסי סוטו, יו"ר מייבל לילנד סוואנלונד מוכשר למדע והנדסת חומרים ב-UIUC.

.



קישור לכתבת המקור – 2022-01-12 21:51:26

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר