الكيتون gumboot ليس مخلوقًا ساحرًا. يزحف الرخوي الكبير المتكتل على طول مياه ساحل المحيط الهادئ ، ويسحب جسمه البني المحمر على طول الشاطئ. يُعرف أحيانًا ، وليس بدون سبب ، باسم “رغيف اللحم المتجول”. لكن جسم الكيتون المتواضع يخفي مجموعة من الأسنان الصغيرة ولكن الهائلة. هذه الأسنان ، التي يستخدمها المخلوق لكشط الطحالب من الصخور ، هي من بين أصعب المواد المعروفة الموجودة في الكائن الحي.
اليوم ، اكتشف فريق من العلماء عنصرًا مفاجئًا في أسنان الكيتون الصلبة: معدن نادر قائم على الحديد لم يكن موجودًا في السابق إلا في الصخور الحقيقية. تساعد جزيئات المعدن الدقيقة ، القوية ولكن الخفيفة ، على تقوية جذر أسنان الرخويات ، أفاد الباحثون في مجلة PNAS الإثنين.
يمكن أن يساعد الاكتشاف المهندسين في تصميم أنواع جديدة من المواد ، وفقًا للعلماء ، الذين قدموا دليلًا على المبدأ من خلال إنشاء حبر جديد مستوحى من الكيتون للطابعات ثلاثية الأبعاد.
يتغذى الكيتون عن طريق مسح لسانه المرن على شكل شريط ، المعروف باسم الرادولا ، على طول الصخور المغطاة بالطحالب. يتم ترتيب أسنانه شديدة الصلابة في صفوف على طول الجذر الرقيق. أنبوب مجوف طويل ، يُطلق عليه اسم ستليت ، يثبت كل سن في الراديولا.
وجد العلماء سابقًا أن قمم أسنان الكيتون تحتوي على خام حديد يسمى المغنتيت ، لكنهم لا يعرفون سوى القليل عن تركيب القلم. قال لينوس ستيجباور ، متخصص المواد في جامعة شتوتغارت بألمانيا ، والمؤلف الأول للمقال: “علمنا بوجود حديد في الجزء العلوي من السن”. “ولكن في بنية الجذر ، لم يكن لدينا أي فكرة عما يحدث هناك.”
في الدراسة الجديدة ، حلل الباحثون أسنان الكيتون باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات التصوير المتقدمة ، بما في ذلك عدة أنواع من التحليل الطيفي ، والتي تتيح للعلماء معرفة المزيد عن الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمادة من خلال ملاحظة كيفية تفاعلها مع الضوء وأنواع أخرى من الكهرومغناطيسية. إشعاع.
اكتشفوا أن هذا النموذج يحتوي على جزيئات صغيرة من نوع من المعادن القائمة على الحديد معلقة في مصفوفة أكثر ليونة. (تتكون المصفوفة من مادة الكيتين ، وهو المركب الذي يشكل الهياكل الخارجية للحشرات والقشريات).
بعد إجراء مزيد من التحليل ، صُدموا لاكتشاف أن جزيئات المعدن كانت santabarbaraite ، وهو معدن لم يتم ملاحظته من قبل في الكائنات الحية. قال ديرك جوستر ، كبير المؤلفين وعالم المواد في جامعة نورث وسترن: “لقد كانت سلسلة كاملة من المفاجآت ، ثم استمرت في الظهور”.
Santabarbaraite هو معدن صلب ولكنه يحتوي على كمية أقل من الحديد وماء أكثر من أكسيد الحديد الأسود ، مما يجعله أقل كثافة. يمكن أن يسمح المعدن للكيتون ببناء أسنان قوية وخفيفة مع تقليل اعتماده على الحديد. قال الدكتور Joester: “الحديد مادة نادرة من الناحية الفسيولوجية”.
وجد الباحثون أيضًا أن جسيمات السانتابارباريت لم تكن موزعة بالتساوي في جميع أنحاء القلم. بدلاً من ذلك ، تم تركيزهم في الجزء العلوي ، الأقرب إلى سطح السن ، وأصبحوا أكثر تناثرًا في الجزء السفلي ، حيث تم توصيل القشرة بالجزء الناعم. خلق نمط التوزيع هذا تدرجًا ، مما يجعل القلم أكثر صلابة وأصعب في الأعلى وأنعم في الأسفل.
قال الدكتور جوستر: “يتمتع الجسم بتحكم مكاني هائل في المكان الذي يذهب إليه المعدن”. “وهذا حقًا ، على ما أعتقد ، ما جعلنا نفكر في كيفية استخدام ذلك في صنع المواد. إذا كان الكائن الحي قادرًا على نمذجة ذلك ، فهل يمكننا أن نفعل الشيء نفسه؟ “
قرر الباحثون محاولة إنشاء “حبر” طابعة ثلاثية الأبعاد جديدة مستوحاة من سن الكيتون. بدأوا بمركب مشابه للكيتين ، ثم أضافوا سائلين: أحدهما يحتوي على الحديد والآخر يحتوي على الفوسفات. نتج عن خلط المكونات معًا عجينة سميكة مرصعة بجزيئات صغيرة من معدن مشابه لسانتاباربارايت. قال الدكتور ستيجباور: “وبعد ذلك يصبح جاهزًا للطباعة – يمكنك فقط نقله إلى الطابعة ثلاثية الأبعاد”.
تصلب الحبر أثناء تجفيفه ، لكن خواصه الفيزيائية النهائية اعتمدت على كمية الحديد والفوسفات المضافة إلى الخليط. كلما أضفنا المزيد ، تشكلت الجسيمات النانوية أكثر ، وأصبحت المادة النهائية أكثر صلابة وأصعب. من خلال تعديل الوصفة بهذه الطريقة ، تمكن الباحثون من صنع أشياء مرنة ومطاطية مثل الحبار أو صلبة وصلبة مثل العظام.
قال الدكتور جوستر: “ينبغي أن يكون من الممكن خلط الحبر في تقرير يمكنك تحريره على الفور قبل طباعته”. وهذا من شأنه أن يسمح لك بتغيير التركيب ، وكمية الجسيمات النانوية ، وبالتالي قوة المادة أثناء الطيران. هذا يعني أنه يمكنك طباعة المواد التي تتغير مقاومتها بشكل كبير للغاية على مسافات قصيرة نسبيًا. “
قد تكون هذه التقنية مفيدة في المجال المزدهر للروبوتات اللينة ، مما يسمح للمهندسين بإنشاء آلات صلبة وصلبة في بعض الأماكن ولينة ومرنة في أماكن أخرى ، قال الدكتور جوستر: “أعتقد أنه سيكون من المدهش أن تتمكن من طباعة كل شيء” . من هذه التدرجات في الهيكل.
