يتحدث المقال عن بكتيريا يتم اختبارها وتصنيعها لجعل المواد أكثر قوة ومرونة وتحمل.

يستخدم الباحثون قوة الكائنات الحية لصنع مواد قوية متحملة ومرنة يمكن للأنظمة البيولوجية تسخير خلاياها الحية من أجل النمو والتجديد، ولكن الأنظمة الهندسية لا يمكنها ذلك حتى الآن.

يعمل كيمينغ وانغ  والباحثون في كلية USC Viterbi للهندسة على تسخير البكتيريا الحية لإنشاء مواد هندسية قوية و متحملة ومرنة. تم نشر البحث في Advanced Materials.

قال وانغ، الرئيس المشارك في ستيفن شرانك للهندسة المدنية والبيئية والأستاذ المساعد للهندسة المدنية والبيئية في قسم الهندسة المدنية والبيئية (CEE): “المواد التي نصنعها هي مواد حية وتنمو ذاتيًا”. “لقد أدهشتنا الهياكل الدقيقة المتطورة للمواد الطبيعية لعدة قرون، خاصة بعد اختراع المجاهر لمراقبة هذه الهياكل الدقيقة. والآن نتخذ خطوة مهمة إلى الأمام: نستخدم البكتيريا الحية كأداة لتنمية الهياكل المذهلة التي لا يمكن صنعها بشكل مباشر لوحدنا”.

يعمل الباحثون مع بكتيريا محددة – S. pasteurii – معروفة بإفراز إنزيم يسمى اليورياز(urease). عندما يتعرض اليورياز لأيونات اليوريا والكالسيوم، فإنه ينتج كربونات الكالسيوم، وهو مركب معدني أساسي وقوي يوجد في العظام أو الأسنان. قال وانغ: “إن الابتكار الرئيسي في بحثنا هو أننا نوجه البكتيريا لتنمية معادن كربونات الكالسيوم لتحقيق هياكل دقيقة منظمة مماثلة لتلك الموجودة في المركبات المعدنية الطبيعية”.

وأضاف وانغ: “تعرف البكتيريا كيفية توفير الوقت والطاقة للقيام بالأشياء. ولديها ذكاء خاص بها، ويمكننا تسخير ذكاءها لتصميم مواد هجينة تتفوق على الخيارات الاصطناعية الكاملة.

اقتراض الإلهام من الطبيعة ليس جديدًا في الهندسة. كما قد يظن المرء، فإن للطبيعة أمثلة عظيمة رائعة على المركبات المعدنية المعقدة التي تكون قوية ومقاومة للكسر ومثبطة للطاقة – على سبيل المثال الصدف أو القشرة الصلبة المحيطة بالرخويات.

وأضاف وانغ: “على الرغم من أن الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والفطريات والفيروسات تكون ضارة أحيانًا في التسبب في الأمراض – مثل COVID-19 – إلا أنها يمكن أن تكون مفيدة أيضًا. لدينا تاريخ طويل في استخدام الكائنات الحية الدقيقة كمصانع – على سبيل المثال، استخدام الخميرة لتصنيع الجعة. ولكن هناك أبحاث محدودة حول استخدام الكائنات الدقيقة لتصنيع المواد الهندسية”.

ومن ناحية الجمع بين البكتيريا الحية والمواد الاصطناعية، علق وانغ قائلاً: إن هذه المادة الحية الجديدة تظهر خصائص ميكانيكية تفوق خصائص أي مادة طبيعية أو اصطناعية مستخدمة حاليًا. ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى هيكل الخاص بالمادة (bouligand structure) والذي يتميز بطبقات متعددة من المعادن الموضوعة في زوايا مختلفة من بعضها البعض لتشكيل نوع من “الالتواء” أو الشكل الحلزوني. حيث يصعب إنشاء هذا الهيكل صناعياً.

عمل وانغ بالتعاون مع باحثي جامعة كاليفورنيا مع An Xin, Yipin Su, Minliang Yan, Kunhao Yu, Zhangzhengrong Feng, and Kyung Hoon Lee.. وقدم دعم إضافي من قبل ليزي صن، أستاذ الهندسة المدنية في جامعة كاليفورنيا، إيرفين ، وتلميذه شينغوي فينغ (Shengwei Feng).

ما هو الشكل؟

قال وانغ إن أحد الخصائص الرئيسية للمركب المعدني هو أنه يمكن التلاعب به من أجل اتباع هياكل أو أنماط مختلفة. لاحظ الباحثون منذ فترة طويلة قدرة روبيان فرس البحر على استخدام “مطرقته” لكسر قشرة عضلية. بالنظر إلى “مطرقته” — هيكل أو يد شبيهة العصا — بشكل أقرب وجدوا أنه تم ترتيبه في هيكل البوليجاند (bouligand structure) هذه البنية توفر قوة أعلى من من تلك التي يتم ترتيبها بزوايا أكثر تجانسًا — على سبيل المثال تبديل الهيكل الشبكي للمادة بزاوية 90 درجة مع كل طبقة.

قال وانغ: “إنشاء هذا الهيكل صناعيا يمثل تحديا كبيرا في هذا المجال”. “لذا اقترحنا استخدام البكتيريا لتحقيقه بدلاً من ذلك”.

من أجل بناء المادة، قام الباحثون بطباعة ثلاثية الابعاد لهيكل شبكي أو سقالة. يحتوي هذا الهيكل على مربعات فارغة بداخله ويتم وضع طبقات الشبكة في زوايا مختلفة لإنشاء سقالات تتماشى مع الشكل الحلزوني.

ثم يتم إدخال البكتيريا إلى هذا الهيكل. تحب البكتيريا بشكل جوهري الالتصاق بالأسطح وسوف تنجذب إلى السقالات، وتلتصق بالمادة بـ “أرجلها”. هناك تفرز البكتيريا اليورياز، وهو الإنزيم الذي يطلق تكوينات بلورات كربونات الكالسيوم. تنمو هذه من السطح إلى أعلى، وتملأ في النهاية المربعات الصغيرة أو الفراغات في الهيكل الشبكي المطبوع ثلاثي الأبعاد. قال وانغ إن البكتيريا تشبه الأسطح المسامية، مما يسمح لها بإنشاء أنماط مختلفة باستخدام المعادن.

تريفيكتا

قال آن شين، طالب دكتوراه في أوروبا الوسطى والشرقية: “لقد أجرينا اختبارات ميكانيكية أظهرت أن قوة مثل هذه الهياكل عالية جدًا. كما أنها كانت قادرة على مقاومة انتشار الشقوق – الكسور – والمساعدة في تخفيف أو تبديد الطاقة داخل المادة”.

أظهرت المواد الموجودة قوة استثنائية ومقاومة للكسر، وتبديد للطاقة، لكن لم يتم إثبات أن الجمع بين العناصر الثلاثة يعمل جيدًا كما هو الحال في المواد الحية التي أنشأها وانغ وفريقه.

قال وانغ: لقد صنعنا شيئًا صلبًا وقويًا للغاية. وستكون الآثار المباشرة لاستخدامه في البنى التحتية مثل الالواح الفضائية الجوية وإطارات المركبات.

المواد الحية خفيفة الوزن نسبيًا، وتقدم أيضًا خيارات للتطبيقات الدفاعية مثل الدروع الواقية للبدن أو دروع المركبات. قال ييبين سو ، باحث ما بعد الدكتوراة يعمل مع وانغ: “هذه المادة يمكن أن تقاوم اختراق الرصاص وتبدد الطاقة من إطلاقها لتجنب الضرر”.

حتى أن هناك إمكانية لإعادة إدخال هذه المواد إلى البكتيريا عند الحاجة إلى إصلاحات.

قال وانغ: “الرؤية المثيرة للاهتمام هي أن هذه المواد الحية لا تزال تمتلك خصائص النمو الذاتي”. “عندما يكون هناك ضرر لهذه المواد، يمكننا إدخال البكتيريا لإعادة المواد. على سبيل المثال، إذا استخدمناها في الجسر، يمكننا إصلاح الأضرار عند الحاجة”.

المصدر: https://www.sciencedaily.com

ترجمة : هنادي القرني 

 تويتر : @Hnologist

مراجعة: ثريا البرقان