בואו לגלות את העתיד החכם, הבטוח, החזק והאדיר של החומרים החדשניים שמפותחים ברגעים אלו ממש
הנדסת החומרים נמצאת בבסיס ההתפתחות של החומרים, ולמעשה כל ההתפתחות. מזה זמן רב מאוד שיש בינינו שחושבים שהתרומות הגדולות ביותר של התפתחות הנדסת החומרים נמצאות מאחורינו. עידן האבן, עידן הברונזה, עידן הברזל: הם הוגדרו כולם על ידי השיפורים הדרמטיים באופן בו ייצרנו ותפעלנו חפצים יום-יומיים, מניפוץ אבני צור כדי ליצור גרזנים חדים יותר ועד לשגשוגות אלומיניום קלות יותר לייצור כנפי מטוסים. אבל עכשיו, בעידן הסיליקון, האם התפתחות היא לא רק בדרך השימוש בחומרים קיימים?
התשובה היא חד משמעית לא. החומרים חשובים היום יותר מאי פעם, וזו הסיבה שפופיולר סיינס הקדיש את רוב הגיליון הזה לחומרים. במעבדות ברחבי כדור הארץ, מדענים עובדים קשה כדי ליצור את היסודות למוצרים של המחר: ציפויים חלקים במיוחד שדוחים הכל החל מקרח (על כנפי המטוסים הקלות ההן) המשך לחיידקים אלימים בבתי חולים; לחומרים בעלי ויסות עצמי שמשנים את המאפיינים של עצמם עם חום או pH; וקרומים פיאזואלקטריים שלוכדים אנרגיה מבוזבזת בזמן שחומרים חכמים אחרים מנצלים את האנרגיה הזו לשימוש יעיל יותר. בעוד מהנדסים מוכיחים את יעילות החומרים האלה בזמן ניסויים במעבדות ומשלבים אותם בעיצובים שממנפים את היכולות החדשות האלה, כל דבר עשוי להשתפר, מחליפות חלל מוכנות לחקר בין-כוכבי ועד לכורים גרעיניים.
למעשה, החוק של מור, העקרון המרכזי של עידן הסיליקון, מתאר עקרון לא של מדע נתונים אלא של הנדסת חומרים – בכל 18 חודשים, אנחנו מוצאים ונמצא דרך לדחוס פי שניים רכיבים על שבב מוגבל. כך שחומרים טובים יותר יוצרים מחשבים טובים יותר, אשר משמשים כאמצעי לתכנון חומרים טובים אף יותר. אחרי כמה מיליוני שנים של התפתחות בהנדסת החומרים, אנחנו עדיין רק בתחילת הדרך.
שתלים מקורי עכביש
רקמות אנושיות נקרעות בקלות רבה מדיי; קורי עכביש חזקים יותר מפלדה. לכן ביוטה סטייט, חוקרים משתמשים בקורי עכביש כדי לטפל בכתפיים ובברכיים פגועות. הם הרבו עזים טרנסגניים שמייצרים כמויות גדולות של חלבונים בעלי מבנה הזהה לקורי עכביש; טוו את החלבונים האלה לסיבים דקיקים, וקלעו את הסיבים לסיב עבה יותר. הסיבים שומרים את מאפייני המתיחות של הקור אבל הם חזקים פי 100 מרצועות אנושיות ועד פי 20 מגידים. סיבים בעלי מבנה של קורי עכביש יכולים להוריד את רמת הפריכות של שתלי עצם, אומר מרקוס בוהלר, שמשלב חלבונים דמויי קורי עכביש עם קולגן ב-MIT. שתי הקבוצות מעריכות ששתלים דמויי קורי עכביש יוכלו לקבל אישור לשימוש בבני אדם עד 2030.
כתבה: שרה פכט.
עור חשמלי
העור לא רק מגן על הגוף – הוא מעביר תחושות. על ידי בניית מוצרי אלקטרוניקה רכים ובשרניים, מצאו מהנדסים דרך לגרום לעור המלאכותי המכסה שתלים ואיברים מלאכותיים לחוש. חוקרים באוניברסיטת אילינוי יצרו מעגלים חשמליים דקים וגמישים מספיק כדי לכסות קצה אצבע, שם הם ממירים לחץ לאותות חשמליים. ג'ל שפותח בסטנפורד, המסוגל לאגור חשמל, יוכל להפוך לסוללה שניתנת לעיצוב צורני. כרמל מאג'ידי מקרנגי מלון מנסה להפוך גומי לחיישני לחץ וחיכוך. הוא מטביע בו ערוצים קטנים של מתכת נוזלית, אשר משנה מוליכות כשהנוזל נע. עור חשמלי עשוי להיות שימושי גם ליצורים לא אנושיים. "הגישה הזאת להנדסה עשויה לסייע להפוך רובוטים ומכונות לטבעיים יותר", אומר מאג'ידי.
כתבה: לורן אארונסון.
כור גרעיני בטוח יותר
חלק ניכר ממרכיבי 104 הכורים הגרעיניים של ארצות הברית תלויים בצורה ניכרת בפלדה, כולל צינורות הלחץ שמכילים אורניום. אבל בסופו של דבר, הקרינה הקבועה יכולה לפרק פלדה, ולסדוק אותה. חוקרים בקלטק Caltech)) והמעבדה הלאומית לוס אלמוס יצרו תרכובות ננו-ציפויים, חומרים שיוכלו למגן כורים עתידיים טוב יותר. הממשקים בין שכבות המתכת של התרכובות סופגים את פגיעות הקרינה שגורמים לפריכות החומר. בטווח הקרוב, ניתן יהיה לשלב את הציפויים עם הפלדה כדי להחליף חלקים מיושנים בכורים קיימים, אומרת ג'וליה גריר, מהנדסת בקלטק ; "ניתן יהיה לצפות גם מעבורות חלל בננו-ציפויים, שיגנו עליהם מפני הקרינה הקוסמית של החלל העמוק".
כתבה: לורן אארונסון.
נעלי ריצה חשמליות
מהנדסים ממירים מתח מכני לחשמל באמצעות מכשירים פיאזואלקטריים מזה יותר ממאה שנים, אבל המטרה להפעיל iPod על ידי ריצה על הכביש נותרה חמקמקה. חומרים פיאזואלקטריים עכשוויים קשים לייצור ובדרך כלל מכילים מתכות רעילות, כמו ניקל ועופרת. חוקרים במעבדה הלאומית לורנס ברקלי פתרו את שתי הבעיות על ידי שימוש בווירוס שהונדס גנטית להתעצב כקרום. כשמפעילים עליו לחץ, החלבונים הספירליים על הקליפות של הווירוסים מתפתלים ומסתובבים, ויוצרים מטען. פיסת קרום בגודל של בול דואר מייצרת 400 מילי-וולט של חשמל, מספיק כדי לספק כוח למסך LCD לזמן קצר. "בתוך חמש עד עשר שנים", אומר מהנדס הביוטכנולוגיה סאונג-ווק לי, "יוכל הקרום להפיק ולאגור אנרגיה מרטט של בניינים, דופק לב ומסוגי תנועה אחרים".
כתבה: שרה פכט.
פאנלים סולאריים עוקבים אחרי חום
כמו חמניות המפנות את התפרחת לכיוון השמש, פאנלים סולאריים יכולים להגביר את תפוקת האנרגיה שלהם על ידי התמקדות בכיוון השמש. אבל גם הסיבוב דורש אנרגיה. "אין הרבה חומרים שיכולים להגיב לאור השמש ושגם תהיה להם תגובה מכנית", אומר הונגרוי ג'יאנג, מהנדס באוניברסיטת וויסקונסין במדיסון. ג'יאנג פיתח חומר שיוכל להניע את הבסיס של המערך הסולארי באופן פסיבי. הוא שילב ננו-צינוריות פחמן, אשר סופגות אור יום, עם אלסטומר נוזל-גבישי (LCE) שמתכווץ כשהוא מתחמם. כשחום סולארי מחמם צד אחד של הבסיס, ה-LCE מתכווץ, וגורם לפאנל הסולארי לנטות לכיוון השמש; כשהצד הזה נכנס לצל, ה-LCE מתקרר וחוזר אורכו המקורי. מבחני שדה מראים שהמערכת מגבירה את היעילות של הפאנלים הסולאריים בממוצע של עשרה אחוזים.
כתבה: שרה פכט.
בתי חולים נקיים מחיידקים
כ-100,000 מטופלים מתים בכול שנה מזיהומים בקטריאליים שמתרחשים בבתי חולים אמריקניים; הצוות הרפואי חייב לחטא באופן קבוע משטחים כדי לעצור את התפשטותם. חומר שיוצר על ידי מעבדת הרווארד יוכל למנוע מאורגניזמים לגדול על ציוד רפואי מלכתחילה – הוא כל כך חלק שאפילו חיידקים אינם יכולים להידבק אליו. החומר, המבוסס על SLIPS (משטחים נקבוביים חלקלקים מוחדרי-נוזלים), הוא פיתוח של החומר שגורם לחרקים להחליק אל תוך צמחים טורפים. ננו-נקבוביות המצפות בסיס מוצק, כמו טפלון ומתכת, מצמידות אליו חומר סיכה חלקלק במיוחד; כל דבר, כולל חיידקים, פשוט מחליק מהציפוי הנוזלי. מהנדס החומרים טאק-סינג וונג אומר של-SLIPS יש אותה השפעה על אבק, קרח וגרפיטי, דבר ההופך אותם לשימושיים בפוטנציה לתעשיות רבות אחרות.
כתבה: לורה גגל.
מטוסים עם כנפי עטלף
כלי הטיס של היום אינם מתקרבים לקלות התנועה והדיוק של הטייסים הטובים של הטבע. "עטלפים שונים מרוב בעלי החיים – ומרוב החומרים המהונדסים – בגלל שיש להם כנפיים מאוד גמישות שמציעות הרבה מאפיינים אווירודינמיים מעניינים", אומר קני ברואר, מהנדס מכונות באוניברסיטת בראון. חוקרים באוניברסיטת סירקיוז יצרו חומר עם איכות דומה: כאש שרשרות הפולימר מתיישרות הוא הופך לנוקשה ויציב בכיוון אחד, אבל אלסטי פי 12 בכיוון השני. בעוד חמש עד עשר שנים מעכשיו, חומר כזה יוכל לאפשר לכנפיים של מזל"ט לנופף על ידי התרחבות והצרה, דבר שיאפשרלמטוסים לטוס במהירויות נמוכות ולפנות בדיוק במהלך משימות פיקוח ומעקב.
כתבה: לורן אארונסון.
מחשבים עם מעגלים חשמליים שמתקנים את עצמם
יכול להיות שמעגלים חשמליים משולבים איפשרו את העידן הדיגיטלי, אבל הם עדיין ניתנים למגבלה אחת גדולה: נזק פיזי. ציפוי חדש שפותח באוניברסיטת אילינוי יוכל להשיב מעגל חשמלי מת חזרה לחיים בפחות מאלפית השנייה, אפילו אם אתם "לוקחים סכין חיתוך וחותכים אותו", אומרת המהנדסת ננסי סוטוס. הצוות שלה ציפה חוטי זהב עם קפסולות מיקרוסקופיות של מתכת נוזלית. כשחוט חשמל נקרע, הקפסולות נפתחות, המתכת הנוזלית ממלאת את הסדק ומשיבה לו את המוליכות החשמלית. בתוך 5 עד 10 שנים, ציפויים דומים שמתקנים את עצמם יוכלו לכסות חוטי חשמל שמחברים את הרכיבים על לוחות מעגלים חשמליים, אומרת סוטוס, ויתנו לכמעט כל מחשב או גאדג'ט את היכולת לתקן את עצמו.
כתבה: לורן אארונסון.
בגדים אינטליגנטיים
על ידי לבישת בגדים שונים, אנשים יכולים להגן על עצמם מפני השמש, הגשם והקור – אבל עד כה חולצות ומכנסיים מעולם לא התאימו את עצמם באופן עצמאי לסביבה שלהם. אנה בלאזס, מהנדסת באוניברסיטת פיטסבורג, אומרת שבתוך שני עשורים "הבגדים שלכם יוכלו לחשוב עבורכם". חומר שפותח בפיט ובהרווארד יכול לווסת את הטמפרטורה שלו כדי להישאר בטווח מסויים. לולאת משובים כימיים ומכניים בתוך שכבות הבגד מפעילה ומכבה תגובה מייצרת חום בטמפרטורות קבועות מראש. אפשר יהיה להשתמש באותה שיטה כדי ליצור חומרים בעלי ויסות עצמי בתגובה לגורמים מעוררים נוספים, כמו חומציות pH, אור, או גלוקוזה; פירוש הדבר שצינורות מים, חלונות ומכשירים רפואיים יוכלו לווסת את הטמפרטורה שלהם באותה מידה.
כתבה: שרה פכט.
שריון בלתי חדיר
"בהרבה תחומים של הנדסת החומרים, הגענו למיטב שאנחנו יכולים עם טכניקות ההנדסה הקיימות", אומר פרנסואה ברתלאט, מהנדס באוניברסיטת מקגיל'. "אני חושב שלטבע יש הרבה טריקים חדשים ללמד אותנו". השריון המגן של בעלי חיים ימיים רבים קשיח בעד פי 3,000 מהחומרים שיוצרים אותו. על ידי שחזור המבנה של קשקשי דגים, ברתלאט הגביר בצורה דומה את הקשיחות של חומר מרוכב. מהנדסים באוניברסיטת וילנובה ערמו קריסטלים קרמיים בתרכובת רכה יותר בזוויות דומות לאלה המצויים בקונכייה. כיוון שסדקים נעים בזיגזג ונעלמים במקום לנפץ את החומר, הוא חזק פי עשר מהחומר הקרמי הבסיסי. התפתחויות שכאלה יוכלו לחזק שריון בתוך שלוש עד חמש שנים.
כתבה: לורן אארונסון.
נקודות ציון של חומרים: מברזל ועד מוליכים-למחצה, הלהיטים הגדולים של החומר
28,000 לפנה"ס: בני אדם פלאוליתיים שורפים פסלי חמר קרמיים, ומציגים יכולת לעיבוד חומרים.
5,000 לפנה"ס: אנשים באזור בו נמצאת כיום טורקיה, לומדים שהם יכולים לא רק להפיק נחושת נוזלית ממלכיט ומאזוריט, אלא גם לעצב אותו בצורות שונות.
3,000 לפנה"ס: עובדי מתכת באזורים בהם נמצאות כיום סוריה וטורקיה יוצרים ברונזה – אחת הסגסוגות הראשונות – על ידי הוספת עופרת בדיל לעופרת נחושת.
2,500 לפנה"ס: מצרים עתיקים יוצרים חרוזי זכוכית, הדוגמאות המוקדמות ביותר המוכרות של החומר. כ-2,400 שנה לאחר מכן, מנפחים זכוכית כדי ליצור כלים אטומים לנוזלים.
2,000 לפנה"ס: אנשים באנטוליה ופרס מתחילים לייצר ברזל מעופרות מתכת.
1750: בריטניה מאשרת פטנט לדבק הראשון. חומר הדבק מופק מדגים. מספר רב של דבקים טבעיים ומלאכותיים מומצאים בעקבותיו.
1755: המהנדס האנגלי ג'ון סמיטון ממציא את הבטון המודרני בזמן שחיפש חומר שלא יתפרק במים.
1839: צ'ארלס גוד-יר מפיל בטעות גומי על תנור חם, ומגלה את הגיפור ובסופו של דבר, גומי עמיד לשינויים במזג האוויר. המוצר הראשון: חולצות עם צווארונים מקושטים לגברים.
1856: הנרי בסמר רושם פטנט לתהליך התכת ברזל בעל רמות פחמן נמוכות והפיכתו לפלדה באיכות גבוהה יותר שניתן להפיק בכמויות מסחריות.
1856: הכימאי האנגלי אלכסנדר פארקס רושם פטנט לפלסטיק הסינתטי הראשון, המופק מתאית כותנה או עץ. פלסטיק מחליף עד מהרה את השנהב בכדורי הביליארד.
1934: צוות בהובלת וואלאס היום קרות'רס מושך חוטוני ניילון, הסיב הסינתטי הראשון, ממבחנה. הוא משמש תחילה בזיפי מברשות שיניים.
1935: לואיס מינסק מחברת Eastman Kodak מפתח פולימר עבור הפוטו-רזיסט הראשון, המסוגל להעביר תבנית למצע, לצורך ייצור מוליכים-למחצה.
1938: בזמן שחקר חומרי קירור חדשים ב-DuPont, גילה הכימאי רוי פלאנקט שאחת הדגימות עברה פולימריזציה. התוצאה: טפלון עמיד לחום שדברים לא נדבקים אליו.
1958: ב-Texas Instruments, בנה ג'ק קילבי את המעגל החשמלי המשולב הראשון, או המיקרו-שבב, על ידי שילוב קבלים, נגדים, דיודות וטרנזיסטורים על פרוסת גרניום.
1958: הפיזיקאי רוג'ר בייקון מייצר חוטוני גרפיט באורך 2.5 ס"מ, שמדרבנים אותו לייצר סיבי פחם בעלי ביצועים גבוהים שמחזקים כלי טיס וטילים.
1962: מהנדס האלקטרוניקה ניק הולוניאק הבן ממציא את הדיודה פולטת האור (LED) הראשונה בעלת הספקטרום הנראה לעין. האור האדום בוהק ממחשבונים עד רמזורים ולוחות מודעות.
1964: סטפאני קוולק, מדענית בחברת DuPont יוצרת פולימר חזק וקשיח שמוביל לקוולאר עוצר קליעים.
1970: חוקרים בקורנינג (Corning) מייצרים סיב אופטי מזכוכית המאבד מעט מאוד אור, ומאפשר העברת תקשורת, כולל תקשורת אינטרט.
1977: כימאים מפתחים פולימרים אורגניים שיכולים להוליך חשמל, ומניחים את היסוד לדיודות פולטות אור (OLED).
1985: חוקרים מגלים מולקולות פחמן יציבות בצורה קיצונית בעלות 60 אטומים הדומים לכיפות גיאודזיות. הם מכנים אותם כדורי באקי (buckyballs), על שם האדריכל ר. באקמינסטר פולר.
1986: צוות ב-IBM יוצר חומר קרמי שמוליך חשמל בטמפרטורות גבוהות מאוד, ומעוררים מירוץ למציאת מוליכים-למחצה חמים יותר.
1991: מדען יפני מגלה ננו-צינוריות פחמן, בעלי מאפיינים מכניים עילאיים.
1997: בוטנאי גרמני מנתח את מאפייני הניקוי העצמי של עלי לוטוס, ומוביל לעידן של חומרים סופר-הידרופוביים.
2000: פיזיקאים מציגים מטה-חומרים שיכולים לתפעל קרינה אלקטרומגנטית, ומתחילים במשימה להמציא גלימה שהופכת את מי יעטה אותה לבלתי נראה.
2004: מדענים משתמשים בנייר דבק כדי לבודד גרפן מגרפיט. יריעת הפחמן שעובייה מולקולה אחת היא החומר הדק והחזק ביוצר המוכר כיום, והוא מוליך מעולה.
2007: על ידי מיזוג כוח ההדבקה של שממיות וצדפות, מדענים באוניברסיטת נורת'ווסטרן מפתחים דבק שעובד בתנאי יובש ורטיבות.
כתבה: לורה גגל.
עוד על חידושים בגליון פברואר של popular science ישראל – למבצע היכרות מיוחד לגולשי HWzone.co.il
תיקון
המעגל החשמלי היה מבוסס גרמניום, לא גרניום (אחרת כבר אז היה לנו מעגל ביו-אלקטרוני…)