المواد ذاتية الاصلاح أو ذاتية الشفاء (Self-healing materials)
Image: US Air Force
إذا ما جرحت نفسك، فإنّ جلدك سيقوم بعملية إعادة ترميم (اصلاح) مكان الجرح بدون ترك أي أثر وفي غضون أقل من أسبوع. أما اذا قمت بصدم سيارتك بالجدار مثلاً أو أحدثت بعض الخدوش على طلائها، فإنك لن تكون محظوظاً، إذ يتوجب عليك قيادتها إلى ورشة التصليح ودفع مبلغ كبير من المال لقاء إصلاحها. الجلد، العظام و مكونات الحياة هي أشياء مذهلة حقاً، حيث يمكنها استشعار مكان الضرر والعمل على وقفه ومنع تطوره نحو الأسوأ (باستخدام آليات غاية في الدهاء كالألم مثلاً)، ثم العمل على اصلاحها ذاتياً مع مساعدة بسيطة من قبلنا (وفي كثير من الأحيان دون تلك المساعدة). إنه لأمر مدهش!
فقط لو أنّ المعادن، البلاستيك، المواد المركبة وكثيراً من المواد الأخرى المستخدمة في الحياة اليومية تمتلك نصف هذا “الذكاء’’! قريباً سيكون ممكناً تحقيق هذا الحلم: في بدايات الألفية الثانية بدأ العلماء بالعمل على إنتاج وتطوير مواد تمتلك القدرة على إصلاح الأضرار الناشئة في بنيتها الداخلية بصورة ذاتية. قريباً سوف نشاهد دهانات ومواد طلاء ذاتية الاصلاح، وربما يتسنى تطبيق ذلك حتى على السيارات والجسور والمباني، فما هي يا ترى آلية عمل هذه المواد العجيبة؟ دعونا نلقي نظرة عن قرب!
ما هي المواد ذاتية الاصلاح؟
لا شيئ يدوم للأبد، على الرغم من أنّ بعض المواد (كالحجر مثلاً) تبذل مابوسعها للبقاء. المواد المستخدمة في حياتنا اليومية عادة ما تصبح غير قابلة للاستعمال لأحد الأسباب التالية:
- التقادم أو الشيخوخة (Aging): معظم المواد تبلى و تتآكل تدريجياً مع الوقت، أحياناً خلال فترة طويلة من الزمن (الخشب على سبيل المثال يتفسخ في نهاية المطاف بعد تعرضه للتآكل من قبل الحشرات والبكتريا أو كائنات دقيقة أخرى، حتى البلاستيك يتحلل بعد عدة مئات من السنين، أو حتى أقل من ذلك، بفعل عوامل الضوء والحرارة.
- الإهتراء (Wear): معظم المواد تهترء خلال الاستخدام المستمر (الاحتكاك أحد أهم العوامل المسببة للاهتراء، المواد التي يتحرك أو تنتقل جيئة وذهاباً بشكل متناوب تتعرض للكسر نتيجة الارهاق Fatigue).
- العيوب (Defects): بعض المواد تتعرض لكسر مفاجئ وغير متوقع عندما تطبق عليها قوى معينة (إجهادات Stresses أو انفعالات Strains) تتسبب في تشكل تصدعات أو انهيارات (Fracture) داخلية (عادة شقوق صغيرة في بنية المادة) تنتشر عادة بسرعة.
بالنسبة لعلماء المواد يعتبر الفشل التلقائي أو العفوي (Spontaneous Failure) من أشد المسائل صعوبة وخطورة في التعامل معها. يكون تحديد أماكن تعفن الخشب أو صدأ الحديد مع المراقبة المنتظمة و العناية الدائمة أمراً سهلاً. أصعب من ذلك بكثير ملاحظة شقوق شعرية دقيقة تختبئ ضمن مواد تدخل في البنى الأساسية لكثير من التطبيقات، على سبيل المثال، عميقاً داخل محرك ساخن يدور بسرعات عالية.
تقنيات كالاختبارات غير الاتلافية (Non-destructive testing) – بما في ذلك تقنية المسح بالأمواج فوق الصوتية Ultrasound scanning – تساهم في تسهيل العثور على المشاكل أثناء عمليات الفحص الروتينية، إلا أنّ مثل هذه الاختبارات ليست عملية للكشف عن المشاكل التي تحدث للمواد قيد الاستخدام.
ما نحتاج إليه حقاً هو الوصول إلى مواد تتصرف بشكل مشابه لجسم الإنسان: استشعار الخلل، العمل على إيقافه ثم البدء في عملية الاصلاح في أسرع وقت ممكن وقبل كل شيء بشكل ذاتي!
هذا هو المفهوم الأساسي لما يسمى (المواد ذاتية الاصلاح Self-healing materials) والتي يمكن تعريفها بأنها مواد صنعية (synthetic) تمتلك القدرة على اصلاح نفسها ذاتياً بشكل تلقائي دون الحاجة لتشخيص الخلل أو التدخل من قبل الانسان.
أنواع المواد ذاتية الاصلاح
أولى المواد ذاتية الاصلاح كانت عبارة عن بوليميرات متعدد الوحدات (Polymers) – عبارة عن لدائن أو مواد بلاستيكية مؤلفة من سلاسل طويلة لجزيئات أو وحدات متكررة (Monomers) – مع نوع من المواد اللاصقة المبطنة ضمن البنية الداخلية لتلك البوليميرات، والتي أعلن عنها من قبل سكوت وايت Scott White، نانسي سوتس Nancy Sottos وزملائهم من جامعة Illinois في العام 2001.
منذ ذلك الحين جرى تطوير العديد من المواد ذاتية الاصلاح وتم تصنيفها ضمن أربعة أنواع رئيسية:
- مواد ذاتية الاصلاح تحتوي على (مواد الشفاء Healing agents)
- مواد ذاتية الاصلاح تتضمن شبكة وعائية داخلية شبيهة بشبكة الأوعية الدموية
- المواد الذكية (Shape-memory materials)
- البوليميرات العكوسة (Reversible polymers)
دعونا نلقي نظرة على الأنواع المذكورة آنفاً كلاً على حدة..
مواد الشفاء المبطنة Embedded healing agents:
[/fusion_builder_column][fusion_builder_column type=”1_1″ background_position=”left top” background_color=”” border_size=”” border_color=”” border_style=”solid” spacing=”yes” background_image=”” background_repeat=”no-repeat” padding=”” margin_top=”0px” margin_bottom=”0px” class=”” id=”” animation_type=”” animation_speed=”0.3″ animation_direction=”left” hide_on_mobile=”no” center_content=”no” min_height=”none”]
المواد ذاتية الاصلاح الأكثر شهرة تحتوي بداخلها على حبيبات أو كبسولات ميكروية (Microcapsules) مملوءة بسوائل كيميائية شبيهة بالغراء والتي يمكنها اصلاح الضرر. تشكل بعض الشقوق داخل المادة سيؤدي بدوره إلى كسر جدران الكبسولات وبالتالي إفراغ محتواها من السوائل التي ما تلبث أن تملأ الشقوق المحيطة بها. هذه المواد تعمل بآلية مشابهة لنوع من المواد اللاصقة يعرف بالايبوكسي epoxy والذي يتوفر على شكل نوعين من البوليميرات السائلة في حاويتين منفصلتين (غالباً في حقنتين). عند مزج السائلين مع بعضهما البعض يحدث تفاعل كيميائي مؤدياً إلى تشكل بوليمير مشترك Copolymer (بوليمير مكون من أكثر من مونومير) ذي خواص لاصقة قوية.
[/fusion_builder_column][fusion_builder_column type=”1_1″ background_position=”left top” background_color=”” border_size=”” border_color=”” border_style=”solid” spacing=”yes” background_image=”” background_repeat=”no-repeat” padding=”” margin_top=”0px” margin_bottom=”0px” class=”” id=”” animation_type=”” animation_speed=”0.3″ animation_direction=”left” hide_on_mobile=”no” center_content=”no” min_height=”none”]
تحتوي المادة (1) على كبسولات صغيرة جدا (2) مملوءة بمواد الشفاء كما تحتوي على بعض المحفزات (3). عندما يبدأ شق ما (4) بالتشكل والانتشار فإنه يتسبب بتحطيم بعض الكبسولات (5) وتحرير محتواها إلى الفراغ المحيط وتفاعلها مع المحفزات الموجودة مسبقاً لتشكيل بوليمير (6) يملأ الشق ويمنع انتشاره.
تؤدي الكبسولات المبطنة دورها بعدة طرق مختلفة. أبسط هذه الطرق هو تحرر المواد اللاصقة من الكبسولة بعد تعرضها للكسر و ملئها للشقوق بكل بساطة. في طريقة مختلفة تماماً، يتكون الجسم الرئيسي للمادة من بوليمير صلب، بينما تحتوي الكبسولات على مونوميرات سائلة (وحدات بناء أساسية تشكل بتكرارها سلاسل البوليمير). عند تعرض البوليمير للضرر و تكسر الكبسولات تنيجة لذلك، تختلط سوائل المونوميرات مع مادة البوليمير وتحدث تفاعلات بلمرة Polymerization، حيث يتشكل المزيد من المادة الأساسية التي تعوض المناطق المتضررة. عادة ما يتم استخدام مواد محفزة Catalysts كذلك لمساعدة عملية البلمرة عند درجات حرارة وضغوط منخفضة (كما في الحياة اليومية).
العيب الرئيسي في نظام الكبسولات المبطنة هو ضرورة كون الكبسولات المستخدمة صغيرة للغاية وإلا سوف يحدث إضعاف لبنية المادة المحتوية عليها. هذا الأمر ينتج عنه محدودية في حجم الضرر الممكن إصلاحه. هناك أيضا مشكلة أخرى تتمثل في كون هذه الكبسولات مهيئة لإصلاح الضرر لمرة واحدة فقط. في حال تعرضت المادة للضرر مجدداً (كون المادة التي تم إصلاحها أضعف من ذي قبل بطبيعة الحال) فإنه لم يعد ممكناً إصلاحها مرة ثانية.
المواد ذات الأوعية الدقيقة Microvascular materials:
كما سبق، فإنّ استخدام الكبسولات المبطنة للمادة يعتبر طريقة بسيطة وفعالة، إلا أنها لا تخلو من العيوب التي تم ذكرها كإضعاف بنية المادة وما يترتب عليه من زيادة قابلية المادة للتعرض للفشل Failure. وهذه هي المشكلة التي نحاول التصدي لها منذ البداية. في الواقع جسم الإنسان لايقوم باصلاح الأضرار بهذه الطريقة بواسطة مواد اصلاح مؤقتة ومحدودة سواء في الجلد أو في العظام يقوم بافرازها لمرة واحدة. بدلاً من ذلك يمتلك الجسم نظاماً وعائياً شاملاً (شبكة من الأوعية الدموية مختلفة الأحجام) تقوم بنقل الدم والأكسجين للحصول على الطاقة واصلاح الأضرار حيث يتم ضخ كميات أكبر من الدم للمناطق المتضررة.
يعمل علماء المواد على تصميم مواد ذاتية الاصلاح تعمل بنفس الطريقة. بعضها يمتلك شبكات أوعية دقيقة جداً (سماكتها حوالي 100 ميكرون) تقوم بايصال مواد الشفاء إلى أماكن الضرر فقط عند حدوثه. الأوعية تؤدي إلى مستودعات مضغوطة (يمكن تشبيهها بالحقنة syring التي تضغط ببطء)، عند حدوث الضرر يتم الضغط على أحد أطراف الوعاء مسبباً ضخ محتواه إلى مكان الحاجة.
على الرغم من أن هذه الطريقة يمكنها إصلاح كمية من الشقوق قد تصل إلى عشرة أضعاف طاقة الكبسولات، إلا أنها أكثر بطأ لأن على محتواها الانتقال لمسافات أبعد، وهنا تظهر مشكلة جديدة في حال كانت سرعة انتشار الشقوق أكبر من سرعة اصلاحها.
لكن في أماكن كناطحات السحاب أو الجسور مثلاً حيث تظهر الشقوق و تنتشر ببطء شديد على مدى أشهر أو سنوات، فإن نظام الأوعية الدقيقة قد يعمل بشكل جيد.
المواد الذكية Shape-memory materials:
معظمنا يعرف المواد الذكية من خلال بعض تطبيقاتها المستخدمة في حياتنا اليومية، كالنظارات المصنوعة من خلائط النيتينول Nitinol (نيكل-تيتانيوم) والتي يمكن ثنيها و تركها لتعود إلى وضعها الطبيعي بالضبط. غالباً تعمل ذاكرة الشكل shape memory بطريقة أكثر تعقيداً من ذلك (وبشكل مثير للاهتمام)، وعادة ما نحتاج إلى تسخين المادة (أو توفير مصدر طاقة آخر) وذلك لإعادتها إلى شكلها الأصلي المفضل. لهذا السبب تحتاج المواد الذكية لآليات معينة لايصال الحرارة أو الطاقة إلى المكان المطلوب. من الناحية العملية يمكن استخدام شبكة مبطنة من الألياف الضوئية fiber-optic – شبيهة بنظام الأوعية المذكور سابقاً مع فرق أن الألياف لا تقوم بضخ بوليميرات أو مواد لاصقة وإنما لتغذية مكان الضرر بأشعة الليزر أو بالحرارة. هذه الآلية تجعل المادة ,,تتذكر’’ شكلها الأصلي المفضل وتعود إليه. ولكن كيف تعرف الألياف المكان الواجب ايصال الطاقة إليه؟
في الحقيقة إن إصابة المادة بالضرر كحدوث الشقوق مثلاً سيؤدي بطبيعة الحال إلى تضرر الألياف الضوئية على حد سواء، ما يتيح لأشعة الليزر بالنتشار في مكان الضرر.
قد يخطر ببال البعض أن تواجد الألياف الضوئية في المادة قد يؤدي إلى إضعاف بنيتها، إلا أن العكس قد يكون صحيحاً، إذ أصبح لدينا مادة مركبة مدعمة بالألياف (يمكن تشبيهها بالألياف الزجاجية Fiberglass أو حديد التسليح (القضبان) في الخرسانة المسلحة. أنظمة من هذا النوع تدعى بالبنى التكيفية المستقلة autonomous adaptive structures وقد تم ابتكارها من قبل المهندس Henry Sodano.
البوليميرات العكوسة Reversible polymers:
لا تحتاج البوليميرات دائماً إلى أنظمة داخلية متطورة كالكبسولات المبطنة أو شبكات الأوعية لإصلاح الأضرار الداخلية. بعضها تشكل عند تعرضها للكسر مثلاً نهايات تفاعلية Reactive ends على أطراف الكسر، حيث تسعى النهايات التفاعلية المتواجدة في منطقة الضرر لاعادة الارتباط مع جيرانها لتشكيل روابط جديدة وإصلاح المنطقة المتضررة. البعض الآخر يؤدي كسرها إلى تشكيل نهايات مشحونة كهربائياً تمنح الأطراف المتشكلة نتيجة الكسر القدرة على التجاذب الكهربائي الساكن مما يؤدي لتقريب تلك الأطراف من بعضها البعض.
في بعض الأحيان كل ما تحتاجه المادة لاصلاح الضرر هو القليل من الحرارة. يمكن تقسيم المواد البلاستيكية إلى صنفين رئيسيين: الأول يعرف باللدائن الحرارية Thermoplastics، والتي تتميز بسهولة الانصهار ، إعادة التدوير Recycling و تشكيل قوالب مختلفة الأشكال Molding. بولي فينيل كلورايد Polyvinyl chloride – PVC، بولي ايثيلين Polyethylene – PE و بولي بروبيلين Polypropylene – PP بعض الأمثلة عن تلك المواد. الصنف الثاني يعرف باللدائن الصلبة بالحرارة Thermosets وهي تسلك سلوكاً مختلفاً عن سابقتها، فهي تتفكك بالتسخين قبل الوصول إلى حالة الانصهار، فلا يمكن إعادة تشكيلها بالتسخين، أمثلة على ذلك الميلامين Melamine و الباكليت Bakelite.
هذا يشير إلى إمكانية استخدام اللدائن الحرارية (وليس اللدائن الصلبة بالحرارة) كمواد ذاتية الاصلاح. ببساطة نحتاج هذه المواد كونها يمكن أن تنصهر تحت الاجهاد أو الضغط بحيث يمكن لسلاسل البوليمير الطويلة إعادة ترتيب نفسها والارتباط مجدداً بشكل أقوى.
ولكن كيف لذلك أن يحدث في الواقع؟
يمكن تصميم اللدائن الحرارية Thermoplastics بحيث إذا تعرضت للكسر مثلاُ ثم خضعت لعملية تسخين فإن البوليمير يتفكك إلى المونوميرات المكونة له، والتي لاتلبث أن تعود وتتحد مع بعضها مشكلة البوليمير الأصلي بعد التبريد. تعتمد هذه الطريقة على تزويد المادة بالحرارة الملائمة وهو أمر متاح بسهولة.
لقد تم اختبار هذا المواد رمياً بالرصاص الحي (حتى قطر 9مم). الحرارة الموضعية الناجمة عن اختراق الرصاصة للمادة توفر الكمية اللازمة من الطاقة لعملية الاصلاح وإعادة التئام الفتحة الناتجة عن القذيفة (قد ترتفع الحرارة في مكان الاختراق إلى بضع مئات من الدرجات المئوية). تخيل أهمية هذه المواد في تصنيع الطائرات المقاتلة؟ ما إن يتعرض جسم الطائرة لطلق ناري حتى يتم إعادة إغلاق الثقوب الناتجة بشكل تلقائي!
أين يمكن استخدام المواد ذاتية الاصلاح؟
ليس من الصعب تخيل استخدام هذه المواد في جميع التطبيقات العملية سواءً الجسور والمباني التي تستطيع اصلاح التشققات ذاتياً أو صادمات السيارات المصنوعة من البوليميرات الذكية التي تستعيد شكلها الأصلي تلقائياً بعد اصطدام خفيف. لكن من أولى المواد التي يمكن أن يتم انتاجها بشكل كبير هي الدهانات ومواد الطلاء التي يمكنها تحمل عوامل الطقس بشكل أفضل ومقاومة الخدوش. علاوة على ذلك يمكن استخدامها في تصنيع مواد العزل و حواشي الاحكام (الجوانات Gaskets) لخطوط الأنابيب.
ربما يصبح ممكناً في المستقبل تطوير ,,قطع غيار’’ لجسم الانسان تستطيع اصلاح نفسها كنظائرها الطبيعية. حتى ذلك الحين سيكون علم الاصلاح الذاتي Self-healing قد أتم دورة كاملة.
ثق بالعلماء لإعادة اكتشاف الطبيعة!
المصدر:
[/fusion_builder_column][/fusion_builder_row][/fusion_builder_container]
