הטכנולוגיה החדשה עשויה לסייע בין היתר בהגנה על מערכות ואזורים רגישים במצבים של פגיעה מכנית – כמו למשל רכב המעורב בתאונה
חוקרים באוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ’ יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית, פיתחו שיטה חדשה לתכנון מטא-חומרים מכניים ולשליטה בתכונותיהם – באמצעות השתלה יזומה של פגמים מבניים בחומר. השיטה עשויה לשמש מהנדסים ומתכננים מתחומים רבים – מתעופה ורכב ועד לאריזות חכמות.
המחקר בוצע בשיתוף עם חוקרים במכון AMOLF באמסטרדם ובאוניברסיטת ליידן בהולנד. המחקר התפרסם ב-27.1.20 בכתב העת Nature Physics
“כולנו מבינים באופן אינטואיטיבי את ההבדל בין גיליון נייר שטוח לבין אותו גיליון, כשאנו מקמטים אותו והופכים אותו לכדור”, מסביר פרופ’ שוקף. “הדף הוא שטוח וגמיש, ואילו הכדור מקומט וקשיח. במילים אחרות, הכדור הוא מטא-חומר מכני – חומר שתכונותיו המכניות השתנו בעקבות שינוי צורה. אנחנו חיפשנו שיטה שתאפשר לנו לשנות את הצורה והמבנה הפנימי של חומר באופן מבוקר, כדי ליצור מטא-חומר עם תכונות מכניות רצויות. לשם כך שתלנו פגמים במערך של אבני הבניין המרכיבות את המטא-חומר שיצרנו.”
מטא-חומר מכני מורכב תוכנן כך שיוכל להתעוות ללא שינוי באורכים של המוטות המרכיבים אותו
בשלב הראשון תכננו החוקרים מודל של חומר נטול פגמים: מבנה שטוח העשוי מאבני בניין משולשות היוצרות שקעים ובליטות, שמתחברות זו לזו כמו פאזל – בליטה בתוך שקע. כעת הם יצרו במודל פגם מבני: הם סובבו שורה של אבני בניין, כך שהן לא יתחברו עוד באופן הרמוני לחלקים בשורות הסמוכות. “פגם כזה מכונה פגם גלובלי או פגם טופולוגי”, אומר פרופ’ שוקף.
המודל ‘הפגום’ הוזן למדפסת תלת-מימד, שהדפיסה אותו בחומר ממשי. לדברי פרופ’ שוקף, “תוצר ההדפסה היה מטא-חומר מכני חדשני – הראשון שנוצר אי-פעם שיש לו התנהגות א-סימטרית.” בניגוד לחומר המושלם, נטול הפגמים, שהוא רך מכל צדדיו, המטא-חומר הפגום הוא רך בצדו האחד וקשיח בצד השני. יותר מכך, כשמחליפים צדדים, לוחצים על צדו האחד ומושכים בצד השני, המצב מתהפך: חלקים קשיחים הופכים לרכים, ולהפך.
תמונות 3-4: שילוב תואם של אבני בניין משולשות מאפשר עיוות ללא שינוי באורך של אף מוט
“במחקר שלנו פיתחנו פלטפורמה חדשנית לתכנון מטא-חומרים מכניים, שעשויים להתאים למגוון רחב של תחומים ושימושים”, מסכם פרופ’ שוקף. “הפלטפורמה מתבססת על שתילת פגמים יזומים במערך הפנימי של אבני הבניין, והיא מאפשרת ליצור באופן מבוקר מטא-חומר בעל תכונות מכניות חדשות, על פי דרישה. כך לדוגמה ניתן לתכנן מעטפת למערכות טכנולוגיות שתנתב כל מכה מכנית לאזורים עמידים, ותמנע פגיעה ברכיבים אלקטרוניים עדינים; ריפוד חכם לכוסות שבירות; רכב שבמקרה של תאונה מנתב את כוחות המעיכה הרחק מהנוסעים; ואף ‘מלקחיים’ ננומטריים שמעבירים כוח מכני מצדם האחד לצדם האחר כדי ללכוד חלקיקים זעירים.”
