يمكن للمواد الشبيهة بالصوف أن تتذكر وتغير شكلها

كما يعلم أي شخص قام بفرد شعره ، فإن الماء هو العدو.الشعر الذي يتم فرده بشق الأنفس بالحرارة سيرتد مرة أخرى إلى تجعيد الشعر في اللحظة التي يلمس فيها الماء.لماذا ا؟لأن الشعر له ذاكرة الشكل.تسمح خصائصه المادية له بتغيير شكله استجابةً لمحفزات معينة والعودة إلى شكله الأصلي استجابةً لمحفزات أخرى.
ماذا لو كانت المواد الأخرى ، خاصة المنسوجات ، لديها هذا النوع من ذاكرة الشكل؟تخيل قميصًا بفتحات تبريد تُفتح عند تعرضها للرطوبة وتُغلق عند الجفاف ، أو قميصًا بمقاس واحد يناسب جميع الملابس التي تمتد أو تنكمش وفقًا لقياسات الشخص.
الآن ، طور الباحثون في كلية هارفارد جون إيه بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) مادة متوافقة حيوياً يمكن طباعتها ثلاثية الأبعاد في أي شكل ومبرمجة مسبقًا بذاكرة ذات شكل عكسي.تتكون المادة باستخدام الكيراتين ، وهو بروتين ليفي يوجد في الشعر والأظافر والقشور.استخرج الباحثون الكيراتين من بقايا صوف أغورا المستخدم في صناعة المنسوجات.
يمكن أن يساعد البحث في الجهود الأوسع لتقليل الهدر في صناعة الأزياء ، وهي واحدة من أكبر العوامل المسببة للتلوث على هذا الكوكب.بالفعل ، يعيد المصممون مثل ستيلا مكارثي تصور كيفية استخدام الصناعة للمواد ، بما في ذلك الصوف.
قال كيت باركر ، أستاذ عائلة تار في الهندسة الحيوية والفيزياء التطبيقية في SEAS وكبير مؤلف الورقة.إن الآثار المترتبة على استدامة الموارد الطبيعية واضحة.باستخدام بروتين الكيراتين المعاد تدويره ، يمكننا القيام بنفس القدر ، أو أكثر ، مما تم القيام به عن طريق جز الحيوانات حتى الآن ، وبذلك نحد من التأثير البيئي لصناعة المنسوجات والأزياء. "
نُشر البحث في مجلة Nature Materials.
قال لوكا سيرا ، زميل ما بعد الدكتوراه في SEAS والمؤلف الأول للورقة ، إن مفتاح قدرات الكيراتين على تغيير شكله هو هيكله الهرمي.
يتم ترتيب سلسلة واحدة من الكيراتين في هيكل يشبه الزنبرك يُعرف باسم alpha-helix.تلتف اثنتان من هذه السلاسل معًا لتشكيل بنية تُعرف باسم الملف الملفوف.يتم تجميع العديد من هذه الملفات الملفوفة في خيوط أولية وألياف كبيرة في النهاية.
قال سيرا: "إن تنظيم حلزون ألفا والروابط الكيميائية الضامة يمنح المادة قوة وذاكرة الشكل".
عندما يتم شد الألياف أو تعريضها لمحفز معين ، فإن الهياكل الشبيهة بالزنبرك تنفصل ، وتعاد الروابط لتشكيل صفائح بيتا مستقرة.تظل الألياف في هذا الوضع حتى يتم تشغيلها للعودة إلى شكلها الأصلي.
لإثبات هذه العملية ، قام الباحثون بطباعة أوراق كيراتين ثلاثية الأبعاد في مجموعة متنوعة من الأشكال.قاموا ببرمجة الشكل الدائم للمادة - الشكل الذي ستعود إليه دائمًا عند تشغيلها - باستخدام محلول بيروكسيد الهيدروجين وفوسفات أحادي الصوديوم.
بمجرد ضبط الذاكرة ، يمكن إعادة برمجة الورقة وتشكيلها في أشكال جديدة.
على سبيل المثال ، تم طي ورقة كيراتين واحدة في شكل نجمة اوريغامي المعقدة كشكلها الدائم.بمجرد ضبط الذاكرة ، غمر الباحثون النجم في الماء ، حيث تكشّف وأصبح مرنًا.من هناك ، قاموا بلف الورقة في أنبوب محكم.بمجرد أن تجف ، تم قفل الورقة كأنبوب مستقر تمامًا وعملي.لعكس العملية ، أعادوا الأنبوب إلى الماء ، حيث تم لفه ثم طيه مرة أخرى ليصبح نجمة أوريغامي.
قال سيرا: "تسمح هذه العملية المكونة من خطوتين للطباعة ثلاثية الأبعاد للمواد ثم ضبط أشكالها الدائمة بتصنيع أشكال معقدة حقًا بخصائص هيكلية تصل إلى مستوى الميكرون"."هذا يجعل المادة مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات من المنسوجات إلى هندسة الأنسجة."
قال باركر: "سواء كنت تستخدم أليافًا مثل هذه لصنع حمالات الصدر التي يمكن تخصيص حجم كوبها وشكلها كل يوم ، أو كنت تحاول صنع منسوجات محركة للعلاجات الطبية ، فإن إمكانيات عمل لوكا واسعة ومثيرة"."نحن نواصل إعادة تصور المنسوجات باستخدام الجزيئات البيولوجية كركائز هندسية كما لم يتم استخدامها من قبل."