חיקוי עם שיניים

כשזה מגיע לתחכום, הטבע מביס אותנו פעם אחר פעם. לדוגמה, במה שקשור לתכנון חומרים, אנחנו לא מפסיקים להעתיק ממנו. כנפי מטוסים, לוויינים, ואולי גם פגושים של מכוניות - הם רק חלק מההתקנים אשר יעוצבו, אולי, בעתיד על בסיס חומרים ביולוגיים שהטבע העניק להם חוזק בלתי-רגיל: הם מסודרים כמבנה בתוך מבנה - בדומה לבובות "בבושקה" רוסיות.

כדי לייצר חומרים סינתטיים עמידים כאלה, יש לחקור את המבנה הטבעי לפרטי פרטים. מדעני מכון ויצמן למדע עשו באחרונה צעד חשוב בכיוון זה. פרופ' דניאל וגנר והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר בני בר-און, מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, בנו מודל מתמטי חדש, אשר מבהיר את התכונות המכניות של חומרים ביולוגיים חזקים רבים - כמו שיניים, עצמות, צדפות, קשקשי דגים, קרני איילים, שריונות צבים, ועוד.

כל אלה מכונים "חומרים מרוכבים", מפני שהם בנויים משני רכיבים: אלמנטים מינרליים קשיחים הנעוצים בתוך מצע אורגני רך, כמו חלבון. השילוב בין השניים יוצר מבנה דומה לזה של לבנים וטיח, המקנה לחומרים מרוכבים את עמידותם. פרופ' וגנר וד"ר בר-און הביאו בחשבון עובדה נוספת: בחלק מהחומרים המרוכבים, הלבנים והטיח הם בעצמם חומרים מרוכבים, הבנויים מאותם רכיבים, אך בסדר גודל קטן פי 100, או פי 1,000. זווית ראייה זו הוסיפה רמה חדשה של מורכבות, אשר מסבירה, למשל, כיצד השיניים שלנו משרתות אותנו היטב, במשך עשרות שנים.

דנטין, החומר הפנימי של השן, הוא חומר מרוכב הבנוי מצינוריות מינרליות דקות ה"מודבקות" יחד על-ידי "טיח" קולגן. המינרל עצמו הוא שביר, אך בשילוב עם הקולגן הוא הופך להיות חזק במידה יוצאת דופן. המודל החדש של פרופ' וגנר וד"ר בר-און מביא בחשבון, כי "טיח" הקולגן אשר עוטף את צינוריות המינרל של הדנטין, שרוחבן הוא מספר מיקרומטרים (מספר מיליוניות המטר), מכיל לא רק קולגן. מתברר, כי הוא בעצמו חומר מרוכב, אשר בנוי מגבישי מינרל בגודל מספר ננו-מטרים (מיליארדיות המטר), עטופים בחלבון - גם הוא בגודל ננו.

מבנה של בובה רוסית

"המבנה מזכיר בובה רוסית - פתחנו 'בובה' אחת, ואנחנו מגלים בפנים עוד מבנה מרוכב", אומר ד"ר בר-און. המודל מביא בחשבון, כי ה"לבנים" של המינרל בדנטין מונחות לא רק בצורה מוסטת זו ביחס לזו, כמו בקיר לבנים, אלא גם בפריסה מרחבית שונה: הלבנים הגדולות, היוצרות את המבנה, מונחות בצורת מניפה, והלבנים הקטנות יותר פונות לכיוונים שונים - דבר המוסיף לדנטין קשיחות ועמידות בכיוונים רבים, וצפיפות משתנה בעומקים שונים של השן.

המודל מספק הסבר לממצאים ממחקרים קודמים של פרופ' וגנר, לפיהם הדנטין רך יותר בחלקה העליון של השן, וקשה יותר בבסיסה, קרוב לחניכיים. ההבדלים בצפיפות מבטיחים ספיגת זעזועים, ומונעים התפשטות הסדקים באמייל השן. בנוסף, ההתייחסות לשינויים בצפיפות פותרת מחלוקת ששררה עד כה סביב הדנטין: עד כה נמדדו ערכים שונים מאוד עבור הקשיחות של הדנטין, אך לא נמצא הסבר לתופעה. כעת ברור, שהמדידות נעשו בשכבות שונות של הדנטין, מבלי לדעת כי הצפיפות שלו, וכתוצאה מכך גם קשיחותו, משתנה משכבה אחת לשנייה. העיצוב הטבעי של הדנטין יכול להוות השראה למבנים סינתטיים בעלי רכיבים מרוכבים, הניתנים ל"כיוונון מכני".

הדנטין, כמו חומרים ביולוגיים נוספים מרובי-סקאלות, נוצר בטבע בדרך מופלאה - באמצעות ארגון עצמי. המודל החדש של פרופ' וגנר וד"ר בר-און עשוי להוביל לייצור חומרים מרוכבים כאלה בדרך סינתטית. המודל תואר בשנה וחצי האחרונה בארבעה מאמרים מדעיים, בכתבי-העת Journal of the Mechanics and Physics of Solids ו-Journal of Biomechanics. המודל הוכיח את עצמו כאמין ביותר, הן כאשר נבחן כנגד סימולציות מספריות, והן כנגד מדידות פיסיקליות של דנטין וחומרים ביולוגיים אחרים, שנעשו במעבדות שונות בעולם - כולל במעבדתו של פרופ' וגנר במכון ויצמן.

המודל הנוכחי מהווה קפיצת מדרגה משמעותית בהשוואה למודלים קודמים המתארים מבנה ומכניקה של עצמות, שפיתח פרופ' וגנר בשנות ה-90 של המאה הקודמת, בשיתוף עם פרופ' סטיב ויינר מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע.

בנוסף לחלקי מטוסים, לוויינים ומכוניות, עשויים חומרים הבנויים בהשראת הטבע לתרום לשיפורם של התקנים רבים, שעבורם העמידות לפגיעה היא תכונה חיונית. אלה כוללים למשל שכפ"צים, מכוניות משוריינות, ודלתות עמידות במיוחד. חומרי העתיד המבוססים על חומרים בעלי מבנים בסדרי גודל רבים צפויים להיות עמידים גם בפני שחיקה.