זכוכית עמידה
בהשראת פנינים

זכוכית היא אחד מהחומרים ההנדסיים החשובים ביותר, שנמצא בכל בניין ובכל מכונית. היא קשיחה, עמידה בתנאים מגוונים ומתנקה בקלות. אך יש לה נקודת חולשה גדולה אחת – היא פריכה למדי, כלומר, עלולה להיסדק ולהתנפץ כשהיא מקבלת מכה. לעתים זגוגיות גדולות, כמו אלה שמכסות קירות שלמים בבנייני משרדים רבים, עלולות להתנפץ אפילו עקב שינויי טמפרטורה או רוחות חזקות. פתרון מעניין לבעיה מגיע כעת דווקא מהצדפות שבאוקיינוס.

יש כמה וכמה שיטות לחזק זכוכית – למשל זכוכית מחוסמת וזכוכית רבודה. זכוכית מחוסמת מיוצרת בתהליך שכולל חימום קיצוני וקירור מהיר, שמקנה לה עמידות גבוהה יחסית למכות. התהליך הזה מעניק לה גם תכונה חשובה נוספת – אם היא בכל זאת נשברת, היא מתנפצת לחתיכות קטנות וקהות שאינן מסוכנות, ולא לשברים גדולים וחדים.

לעומת זאת, זכוכית רבודה היא "סנדוויץ'" של שתי שכבות זכוכית שביניהן מפרידה שכבת פלסטיק דקה ושקופה. המבנה הזה מחזק את השמשה, משום שהפלסטיק סופג חלק מעוצמת הפגיעה וכך מגדיל את עוצמת המכה הדרושה כדי לשבור את השמשה. אם היא בכל זאת תתנפץ, הפלסטיק יחזיק את השברים יחד וימנע מרסיסים להתעופף.

ציפוי עמיד מפנינים

חוקרים מאוניברסיטת מקגיל בקנדה שאבו לאחרונה השראה מהצדפות, במטרה להתגבר על מכשול הפריכות של זכוכית ולשכלל את הזכוכית הרבודה ליצירת שמשות עמידות במיוחד. אם הפנינה, שנקראת גם דַּר, היא החומר שמרכיב את הציפוי הפנימי של סוגים מסוימים של צדפות. היא מורכבת מטסיות זעירות שמסודרות במבנה שכבתי, וביניהן חומר גמיש המכונה רשת (מטריצה) אורגנית. כשנכנס זיהום לתוך הצדפה, למשל גרגיר חול, החומר הזה מצפה אותו ונוצרת פנינה. המבנה המיקרוסקופי של אם הפנינה מזכיר קיר לבנים – הטסיות עשויות ממינרל קשה בשם ארגוניט (סוג של סידן פחמתי) ששקולות ללבנים, ואילו הרשת האורגנית היא המלט.

מבנה שכבתי, כמו קיר לבנים. אם הפנינה מתחת למיקרוסקופ | Science Photo Library

מבנה זה מעניק לאם הפנינה עמידות גבוהה – הטסיות הזעירות, שאורכן 20-10 מיקרון (מיליונית מטר) ועוביין כחצי מיקרון, מסוגלות לזוז ולהחליק זו על גבי זו כשהחומר סופג מכה, בזכות הרשת האורגנית הגמישה. כך הוא יכול לספוג את עוצמת המכה בלי להיסדק. אם הפנינה היא בעצם חומר מרוכב – חומר שמשלב בין שני חומרים שונים, האחד קשיח וחזק והשני גמיש, שמשלימים זה את זה בתכונותיהם.

במחקר שפורסם בכתב העת Science חרצו מדענים באמצעות לייזר תבניות של משושים בגודל של כמה מילימטרים בשכבה דקה של זכוכית. לאחר מכן חיברו כמה שכבות במבנה רבוד עם יריעות פלסטיק דק ושקוף. כך התקבל מבנה שכבתי תלת-ממדי של טסיות שטוחות המחוברות בחומר גמיש, בדומה לאם הפנינה. המבנה השכבתי לא פגע משמעותית בשקיפות ובקשיחות – תכונות חשובות של זכוכית, אם כי נמדדה ירידה קלה בתכונות האלה בהשוואה לזכוכית רבודה רגילה.

התברר שהמבנה השכבתי עמיד במיוחד – נדרשה אנרגיה חזקה עד פי ארבעה כדי לנקב את הזכוכית החדשה, בהשוואה לזכוכית רבודה סטנדרטית, ועד פי 24 יותר מזכוכית רגילה. בבדיקה של עמידות לחבטות, נמצא כי הזכוכית דמוית אם הפנינה הייתה עמידה כפליים מזכוכית מחוסמת.

גם כשהגיעו לנקודת השבירה, במקום שהזכוכית תישבר לרסיסים נוצרו בה רק סדקים מקומיים ומתיחה פלסטית – כלומר התנהגותה הייתה דומה יותר לפלסטיק מאשר לזכוכית. בבדיקה מיקרוסקופית נמצא כי הזכוכית החדשה אכן מגיבה לעומס בדומה לאם הפנינה. הטסיות הדקות החליקו זו ליד זו בחסות השכבה הפלסטית הגמישה, וכך נמנעו סדקים גדולים.

בטבע אפשר אם כן למצוא מנגנונים גאוניים, שאנו יכולים ללמוד מהם ולשכלל טכנולוגיות רבות. הזכוכית החדשה, המבוססת על חומר הציפוי הזגוגי של צדפות, היא עוד דוגמה לתחום הצומח של הביומימיקרי, שבו מדענים ומהנדסים מחקים תכונות שהטבע שכלל במיליוני שנות אבולוציה, כדי לפתח חומרים ומכשירים חדשים לתועלת האדם.