כמו שהעולם מתמודד עם שינוי האקלים, we urgently need to find ways of reducing our CO? emissions. Sectors which rely heavily on fossil fuels, such as energy and תעופה, בדרך כלל נחשב לעבריינים הגרועים ביותר. אך מה שרוב האנשים לא מבינים הוא שיש עוד אשם שמסתתר באופק; ברחובות הערים שלנו, ובבניינים בהם אנו גרים ועובדים.

בשנת 2007 בלבד, פלדה ובטון were each responsible for more CO? emissions than the entire global aviation industry. Before reaching the construction site, both steel and cement must be processed at very high temperatures – and this takes a lot of energy. So how can we reduce our dependence on these “dirty” materials, when they play such a crucial role in construction?

אפשרות אחת היא להשתמש בחומרים טבעיים, כמו עץ. בני אדם בנו בעץ עבור אלפי שנים, ומבני עץ הם כרגע חווה תחייה קלה - בין השאר בגלל שזה חומר זול ובר קיימא.

אבל יש כאלה חסרונות לבנייה בעץ; החומר יכול להתעקם בתנאים לחים, והוא רגיש לתקיפה על ידי מזיקים כמו טרמיטים. ובעוד חומרים טבעיים, כמו עץ, מושכים מנקודת מבט סביבתית, הם עשויים להיות לא מספקים עבור מהנדסים העשויים לרצות לייצר רכיבים בצורה או גודל ספציפיים.

העתקת חיים

אז מה אם במקום להשתמש בחומרים טבעיים כפי שאנו מוצאים אותם, אנו מייצרים חומרים חדשים בהשראת הטבע? הרעיון הזה התחיל לצבור אחיזה בקהילת המחקר בשנות השבעים והתפוצץ באמת בשנות התשעים, עם התפתחות ננוטכנולוגיה ושיטות ייצור ננו. כיום, הוא מהווה בסיס לתחום חדש של מחקר מדעי: כלומר, "ביומימטיקה" - פשוטו כמשמעו "העתקת חיים".

תאים ביולוגיים מכונים לעתים קרובות "אבני הבניין של החיים”, מכיוון שהן היחידות הקטנות ביותר של חומר חי. אך כדי ליצור אורגניזם רב-תאי כמוך או אני, התאים חייבים להצטבר יחד עם מבנה תומך כדי ליצור את החומרים הביולוגיים שממנו אנו עשויים, רקמות כגון עצם, סחוס ושרירים. זה חומרים כמו אלה, שמדענים שמתעניינים בביומימטיקה פנו אליהם לצורך השראה.

על מנת לייצר חומרים ביומימטיים, עלינו להבין היטב כיצד חומרים טבעיים עובדים. אנו יודעים כי חומרים טבעיים הם גם "חומרים מרוכבים": הם עשויים מחומרי בסיס מרובים שונים, כל אחד עם תכונות שונות. חומרים מרוכבים הם לעיתים קלים יותר מחומרים רכיבים בודדים, כגון מתכות, בעוד שהם עדיין בעלי תכונות רצויות כגון נוקשות, חוזק וקשיחות.

הכנת חומרים ביומימטיים

מהנדסי חומרים השקיעו עשרות שנים במדידת ההרכב, המבנה והתכונות של חומרים טבעיים כמו עצם וקליפת ביצה, כך שיש לנו הבנה טובה של מאפייניהם.

לדוגמא, אנו יודעים שעצם מורכבת מחלבון מים ומינרלים, בפרופורציות כמעט שוות. המינרל מקנה קשיחות וקשיחות, ואילו החלבון מקנה קשיחות ועמידות בפני שבר. למרות שעצמות יכולות להישבר, זה יחסית נדיר, ויש להן את היתרון בהיותן ריפוי עצמי - תכונה נוספת שמהנדסים מנסים להביא לחומרים ביומימטיים.

כמו עצם, קליפת הביצה היא חומר מרוכב, אך זהו סביב 95% מינרלים ורק 5% חלבון מיובש. אולם אפילו כמות קטנה של חלבון מספיקה בכדי להפוך את קליפת הביצה לקשה מאוד, בהתחשב בדקילותה - כפי שרוב הטבחים בארוחת הבוקר ישימו לב. האתגר הבא הוא להפוך את הידע הזה למשהו מוצק.

ישנן שתי דרכים לחקות חומרים טבעיים. או שתוכלו לחקות את הרכב החומר עצמו, או שתעתיקו את התהליך בו נוצר החומר. מאחר וחומרים טבעיים מיוצרים על ידי יצורים חיים, אין אחת משיטות אלה מעורבות בטמפרטורות גבוהות. ככאלה, חומרים ביומימטיים - בואו נקרא להם "ניאו-עצם" ו"קליפת ביצה "- לוקחים הרבה פחות אנרגיה לייצור מאשר פלדה או בטון.

במעבדה הצלחנו לייצר דגימות בקנה מידה סנטימטר של ניאו-עצם. אנו עושים זאת על ידי הכנת תמיסות שונות של חלבון עם הרכיבים המייצרים מינרלים בעצמות. חומר מרוכב ניאו-עצם מופקד לאחר מכן מתמיסות אלה באופן ביומימטי בטמפרטורת הגוף. אין סיבה שתהליך זה - או גרסה משופרת ומהירה יותר שלו - לא יוכלו להיות מוגדלים לרמה תעשייתית.

כמובן, פלדה ובטון נמצאים בכל מקום, כך שהדרך בה אנו מתכננים ובונים מבנים מותאמת לחומרים אלה. כדי להתחיל להשתמש בחומרים ביומימטיים בקנה מידה גדול, נצטרך לחשוב מחדש לחלוטין על כללי הבנייה והתקנים שלנו לחומרי בניין. אבל אם ברצוננו לבנות ערים עתידיות באופן בר-קיימא, אולי מחשבה מחודשת היא בדיוק מה שנדרש. המדע עדיין בחיתוליו, אבל זה לא אומר שאנחנו לא יכולים לחלום בגדול על העתיד.