Studimi i kërpudhave nën mikroskop mund të ndihmojë inxhinierët të dizajnojnë materiale më të forta

Merrni një kërpudhë të butonit nga supermarketi dhe ajo do të shtypet lehtë midis gishtërinjve tuaj. Thye një kërpudhë druri nga një trung pemësh dhe do të vështirësoheni ta thyeni. Të dy ekstremet rriten nga të njëjtat blloqe mikroskopike ndërtimi: hyphae – tubacera të hollë si flokë kryesisht të bërë nga polimeri natyror chitin, një përbërje e fortë që gjendet gjithashtu në kornizat e krabrit.

Ndërsa ato tubacera degëzohen dhe ndërthuren, ato formojnë një rrjet të lehtë por jashtëzakonisht i fortë i quajtur mycelium. Inxhinierët po fillojnë të hulumtojnë këtë rrjet për përdorim në materiale ekologjike.

Por edhe brenda një familje të vetme kërpudhash, fuqia e një rrjeti mycelium mund të ndryshojë shumë. Shkencëtarët kanë dyshuar prej kohësh se si janë rregulluar hyphae – jo vetëm nga përbërja e tyre – mbajnë çelësin për të kuptuar, dhe në fund për ta kontrolluar, fuqinë e tyre. Por deri kohët e fundit, matjet që lidhnin drejtpërdrejt rregullimin mikroskopik me fuqinë makroskopike kanë qenë të rralla.

Unë jam një student i doktoratës në inxhinieri mekanike në Universitetin Binghamton që studioj struktura të frymëzuara nga biologia. Në kërkimin tonë më të fundit, kolegët e mi dhe unë bëmë një pyetje të thjeshtë: A mund të rregullojmë fuqinë e një materiali të ngjashëm me kërpudhat vetëm duke ndryshuar këndin e filamentëve të tij, pa shtuar përbërës më të fortë? Përgjigjja, siç rezulton, është po.

2 lloje të ngrënshme, shumë teste të vogla

Në studimin tonë, ekipi im krahasoi dy lloje të njohura të kërpudhave. I pari ishte kërpudha e bardhë e butonit, e cila përdor vetëm fibra të hollë të quajtura fibra gjeneruese. E dyta ishte maitake, gjithashtu e quajtur pula e drurit, e cila përzihet në një tip të dytë, më të trashë të hyphave të quajtur fibra skeletale. Këto fibra skeletale janë të rregulluara rreth e rrotull, si grupe kabllash.

Pas tharjes së butonave dhe kërcinjve me kujdes për të hequr çdo ujë, i cili mund të zbutë materialin dhe të deformojë rezultatet, ne u përqendruam me mikroskopë elektronike skanime dhe testuam mostrat në dy shkallë shumë të ndryshme.

Së pari, ne testuam kompresionin makro-rrjetor. Një piston i drejtuar nga motori ngadalë shtypi çdo kërpudhë ndërsa sensorët regjistronin sa fort u kthye mbrapa mostra – në të njëjtën mënyrë si mund të shtypni një marshmallow, vetëm me precizion laboratorik.

Pastaj shtypëm një majë diamanti më të hollë se flokët e njeriut në filamentet individuale për të matur ngurtësinë e tyre.

Filamentet e bardha të kërpudhës vepruan si elastike, duke pasur një ngurtësi mesatare prej rreth 18 megapascale – të ngjashme me gome natyrale. Filamentet më të trasha skeletore në maitake matën rreth 560 megapascale, më shumë se 30 herë më të ngurtë dhe duke iu afruar ngurtësisë së polietilenit me dendësi të lartë – plastika e fortë që përdoret në tabaka prerëse dhe disa tubacione uji.

Por kimia është vetëm gjysma e historisë. Kur shtypëm të gjithë copat, drejtimi ku shtypëm kishte rëndësi edhe më shumë për maitake. Shtypja në linjë me fibrat e saj skeletale të paralelizuara bëri që blloku të ishte 30 herë më i ngurtë sesa shtypja në drejtim të drurit. Përkundrazi, fibrat e ngatërruara në kërpudhat e bardha ndjeheshin po aq të buta nga çdo këndvështrim.

Një kërpudhë digjitale dhe rrotullimi i fijeve

Për të ndarë gjeometrinë nga kimia, ne konvertuam pamjet nga mikroskopi në një model kompjuterik duke përdorur një rrjet Voronoi 3D – një model që imiton muret midis flluskave në një shkumë. Mendoni për topat e ping-pongut të mbushur në një kuti: Çdo top është një qelizë, dhe muret midis qelizave bëhen filamentet tona të simuluara.

Ne i caktuam ato filamentet duke përdorur vlerat e ngurtësisë të matur në laborator, pastaj rrotulluam virtualisht të gjithë rrjetin në kënde prej 0 gradë, 30 gradë, 60 gradë, 90 gradë dhe plotësisht rastësisht.

Filamentet horizontale (0 gradë) u përkulën si një matras me elastik. Filamentet vertikale (90 gradë) mbështetën peshën pothuajse aq fort sa druri i dendur. Thjesht duke e tundur rrjetin në 60 gradë pothuajse dyfishoi ngurtësinë e tij krahasuar me 0 gradë – gjithçka pa ndryshuar asnjë përbërës kimik.

Në bazë të asaj, zbuluam se vetëm orientimi mund të kthejë një sfungjer të butë në diçka që reziston ndaj presionit të rëndë. Kjo sugjeron se prodhuesit mund të bëjnë pjesë të forta, të lehta, të biodegradueshme – si brirë këpucësh, paketim mbrojtës dhe madje panelet e brendshme për makinat – thjesht duke udhëhequr se si rritet një fungus në vend të përzierjes së shtesave më të forta.

Materialet më të gjelbër – dhe më tej

Start-up-et tashmë po rritin “lëkure” të bërë nga mycelium – rrjeta e mycelium-it të ngjashme me kërpudhat – për çanta, dhe shkumë mycelium si zëvendësues i Styrofoam-it.

Drejtimi i kërpudhave për të vendosur filamentet e tyre në drejtime strategjike mund të shtyjë performancën shumë më lart, duke hapur dyer në sektorë ku raporti forcë-peshë është mbret: mendoni për qendrat e mallrave sportive, panelët e izolimit të ndërtesave ose mbushësit e lehtë brenda panelëve të avionëve.

I njëjti komplet veglash digjital gjithashtu funksionon për rrjeta metalike ose polimerike të printuara me shtresa të ndara. Ndërroni vetitë e filamentit në model, lejoni algoritmin të zgjedhë këndet më të mira, dhe pastaj ushqeni atë konfigurim në një printer 3D.

Një ditë, inxhinierët mund të zhvillojnë një aplikacion që thotë diçka si, “Kam nevojë për një panel që është i fortë në veri-jug por i fleksibël në lindje-perëndim,” dhe programi mund të nxjerrë një hartë filamentesh të frymëzuar nga maitake e thjeshtë.

Hapi ynë tjetër është të ushqejmë mijëra këto rrjete virtuale në një model të mësimit makinerik në mënyrë që të mund të parashikojë – ose madje të krijojë – konfigurime filamentesh që arrijnë një fortësi të synuar në çdo drejtim.

Ndërkohë, biologët po eksplorojnë mënyra me energji të ulët për të nxitur kërpudhat e vërteta të rriten në rreshta të rregullt, nga drejtimi i lëndëve ushqyese drejt një ane të një disku petri deri te aplikimi i fushave elektrike të buta që inkurajojnë filamentet të rreshtohen.

Ky studim na mësoi se nuk është gjithmonë e nevojshme kimike ekzotike për të bërë një material më të mirë. Ndonjëherë, gjithçka është se si rreshtoni të njëjtat fijet e vjetra – thjesht pyesni një kërpudhë.