تقليد الهياكل الخلوية المعمارية عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد

كتبت: يارا كمال

في الطبيعة نجد أشياء مدهشة بمواد تصميم محدودة. فالعشب، على سبيل المثال، يمكنه دعم وزنه ومقاومة أحمال الرياح القوية ويستطيع أن ينتصب بعد الضغط عليه.

تأتي قدرة العشب على تحمل الظروف الصعبة من المزيج بين البنية الجوفاء والأنبوبية على مستوى كبير والبنية المجهرية المسامية أو الخلوية. هذه الخصائص المعمارية تعمل معًا لإعطاء العشب خواص ميكانيكية قوية.

وبإلهام من الهياكل الخلوية الطبيعية، طوّر الباحثون في مدرسة «جون إيه. بولسون» للهندسة والعلوم التطبيقية التابعة لجامعة «هارفارد» (SEAS) ومعهد «ويس» للهندسة المستوحاة بيولوجيًا بجامعة «هارفارد» ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، طريقة جديدة لطباعة ثلاثية الأبعاد مواد بمسامية على مستوى كبير ومجهري باستخدام حبر رغوة السيراميك.

يمكن استخدام هذا النهج لصنع مواد إنشائية خفيفة الوزن أو العزل الحراري أو سقالات الأنسجة.

قالت «جينيفر لويس»، إحدى مؤلفي الورقة البحثية وعضو أساسي من أعضاء هيئة التدريس في معهد «ويس»، إنه بتوسيع المساحة التركيبية للمواد القابلة للطباعة، يمكننا إنتاج هياكل خفيفة الوزن بصلابة استثنائية.

يتكون حبر رغوة السيراميك المستخدم في معمل «لويس» من جزيئات الألومينا والماء والهواء.

قال «جوزيف موث»، طالب متخرج في معمل «لويس» والمؤلف الأول للورقة البحثية، إن الأحبار الرغوية مثيرة للاهتمام لإن بإمكانك استخدامها في المحاكاة الرقمية لهياكل مجهرية خلوية بداخل هياكل خلوية على نطاق أكبر. بعد أن يتصلب الحبر، يتكون الهيكل الناتج من الهواء الذي يحيط بالمادة السيراميكية على مقاييس طولية متعددة. وبدمج المسامية في الهيكل، فأنت تضفي خصائص لن تكون موجودة بخلاف ذلك.

بالتحكم في الهيكل المجهري للرغوة، ضبط الباحثون خصائص الحبر. وبتحسين الهيكل، طبع الفريق أقراص عسل خفيفة الوزن على شكل مثلث وسداسي بهندسة وكثافة وصلابة يمكن ضبطهم.

قالت «لورنا جيبسون»، أستاذة علم المواد والهندسة بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والتي شاركت في كتابة الورقة البحثية، إنه عن طريق هذه التقنية يمكن التحكم في الهيكل المجهري باستخدام معالجة الرغوة والتحكم العالمي الهندسي باستخدام الطباعة. ولأنهم يطبعون شيئًا له هيكل مجهري محدد بالفعل، فهم لا يحتاجون إلى قولبة كل قطعة منفردة. يسمح ذلك لهم بصنع هياكل بتراتبية محددة أكثر تحكمًا من ذي قبل.

وقال «موث» إنه يمكنهم الآن صنع مواد متعددة الفائدة بالعديد من الخصائص المختلفة مثل صفات النقل والحرارة والميكانيكية.

المصدر: sciencedaily