"זיכרון הצורה" – התכונה המפתיעה שמאפשרת לשלוט בשינוי הצורה של חומרים

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב גילו לראשונה שורה של תכונות פיזיקליות הקיימות ברשתות של מיקר וסיבים פולימריים, בראשן תכונת "זיכרון צורה". גילויים אלה פותחים דלת למגוון יישומים טכנולוגיים וביולוגיים, החל מהנדסת רקמות וכלה ברובוטיקה.

"במחקר ייצרנו רשתות דו ממדיות ממיקרו-סיבים פולימריים, שמשנות את צורתן כתלות בטמפרטורה." מסביר ד"ר עמית סיט מבית הספר לכימיה. "גילינו לראשונה כי לרשתות ישנן תכונת זיכרון צורה – תכונה מפתיעה במיוחד שלא הכרנו. בקירור הרשתות מתנפחות ויכולות לשנות את צורתן המקורית, אולם זיהינו כי לאחר חימום הרשתות, הן מסוגלות לרכוש מחדש את הצורניות המקורית שהייתה להן בטרם החימום. עקרון זה, המודגם על סוגים שונים של רשתות, מציע דרך חדשה לשלוט בשינוי הצורה של חומרים, וניכר כי אפילו שינויים מינוריים במבנה הסיבים מיתרגמים לשינוי דרמטי בהתנהגות המקרוסקופית של הרשתות."

הרשתות הדו ממדיות שפותחו ויוצרו במעבדתו של ד"ר סיט מבוססות על פולימר בשם PNIPAAm, והן "מודפסות" בתהליך המכונה טווייה יבשה (Dry Spinning). בתהליך זה, הסיבים נמתחים מתוך תמיסת הפולימר הנוזלית, ותוך כדי כך הם מתקשים במהירות והופכים למוצקים, כאשר נידוף מהיר של הממס מותיר את הפולימר כסיב דק. שיטה זו מאפשרת יצירה של סיבים בקוטר של מאית עובי השערה וכן ארגון שלהם באופן מסודר במרחב, בדומה להדפסה תלת ממדית.

את המחקר הובילו ד"ר סיט והדוקטורנטית שירן זיו שהרבני מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, והוא פורסם בעיתון היוקרתי Advance Functional Materials.

ד"ר סיט מוסיף: "אחת הדרכים העיקריות בהן מערכות ביולוגיות יוצרות תנועה ומייצרות כוחות היא באמצעות רשתות היררכיות שמורכבות מסיבים דקים וזעירים, ויכולות לשנות את צורתן וגודלן בהתאם לגירוי חיצוני. רשתות מעין אלו קיימות ברמת התא הבודד, ולוקחות חלק  במגוון תהליכים תאיים וגופניים. כך למשל, השרירים בגוף האדם מבוססים על רשתות של סיבים חלבוניים, שמתכווצות ומתרפות בעקבות גירוי עצבי. הצלחנו להראות כי שינוי הצורה של רשתות דו ממדיות המורכבות מסיבים פולימריים המגיבים לחום, נשלט על ידי התכונות הפיזיקליות של כל סיב. בשינוי תנאים אלה, הרשתות נוטות להציג בקירור אחד משני נתיבי התנהגות – בנתיב אחד הסיבים נותרים ישרים, והרשת משמרת את הצורניות הסדורה שלה, ובנתיב השני הסיבים מתעקמים, והרשת הופכת למבולגנת ממש כמו ספגטי. היופי הוא שתכונת זיכרון הצורה קיימת בשני נתיבי ההתנהגות הללו, ובחימום חוזרים לתצורת הרשת המקורית."

מודל חישובי של קפיצים ורשתות

את התוצאות המעניינות שראו ד"ר סיט וצוותו, הם הסבירו באמצעות מודל חישובי פשוט. הדוקטורנטית שירן זיו שהרבני מרחיבה בנושא: "המודל התאורטי שלנו מבוסס על הבנה בסיסית של מערכות קפיצים, שהן מערכות קלאסיות ומוכרות היטב. את שני נתיבי ההתנהגות שבהם חזינו במעבדה, הצלחנו לתאר באמצעות שינוי פרמטרים במערכת הקפיצים, והמודל סייע לנו להראות באופן חד משמעי כי מגוון גורמים גאומטריים, בעיקר קוטר הסיב אך גם הצפיפות של הרשת כולה, קשורים קשר הדוק לתכונות המקרוסקופיות של הרשת."

"עם היישומים של הרשתות הפולימריות", מוסיף ד"ר סיט, "ניתן להפליג אל מחוזות המדע הבדיוני, אבל ברמה הפרקטית ובעתיד הקרוב אנו מתכננים להשתמש ברשתות כדי לייצר בדים ומבנים תלת ממדים שישנו את צורתם ברזולוציה מיקרונית, באופן שיתוכנת ממש כחלק ממבנה החומר עצמו. במקביל, אנו עובדים על שימוש ברשתות משנות צורה לפיתוח של שרירים מלאכותיים קטנטנים שיוכלו לשנות פוקוס של עדשות רכות, להפריד ננו ומיקרו-חלקיקים ולהניע מלקחיים זעירים לטובת לקיחת ביופסיה של תאים בודדים."

זיו שהרבני מסכמת ואומרת: "עם התובנות מהמחקר שלנו אפשר לנתח ולהסיק איזה ארגז כלים נדרש לצורך פיתוחים שכאלה. המחקר ארך למעלה משלוש שנים, ולקחו בו חלק גם פרופ' אלי פלקסר מהמכללה האקדמית להנדסה אפקה בתל אביב,  וכן סטודנטים, תלמידי מחקר ואף תלמיד תיכון. אין ספק כי הידע שרכשנו במהלכו הוא חדשני ובעל פוטנציאל טכנולוגי רב."