اكتشاف يظهر قدرة الفضة على إصلاح نفسها!

في دراسة رائدة نشرت في مجلة (Matter)، توصل باحثون من معهد الفيزياء (IOP) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم إلى اكتشاف مهم يمكن أن يحدث ثورة في مجال علوم وهندسة المواد. حيث كشفت الدراسة التي أجراها فريق من العلماء، أن الفضة النانوية (Ag) لديها قدرة استثنائية على إصلاح نفسها بشكل مستقل من الأضرار الهيكلية مثل الشقوق النانوية والمسام النانوية دون أي تدخل خارجي. هذه الظاهرة، المعروفة باسم الشفاء الذاتي (self-healing)، في الفضة النانوية لا يتم ملاحظتها فقط في درجة حرارة الغرفة ولكن أيضًا في درجات حرارة شديدة البرودة تصل إلى -100 درجة مئوية.

كيف ألهمت الطبيعة مواد الشفاء الذاتي؟

لقد كانت الطبيعة دائمًا مصدر إلهام للابتكار البشري، والمواد ذاتية الشفاء ليست استثناءً. في العالم الطبيعي، تطورت الكائنات الحية لإصلاح نفسها من الإصابات والأضرار. من أبسط أشكال الحياة، مثل البكتيريا، إلى الكائنات المعقدة مثل البشر، يعد الشفاء الذاتي آلية أساسية للبقاء على قيد الحياة.

أحد أروع الأمثلة على الشفاء الذاتي في الطبيعة هو جلد الإنسان. عندما يتم قطع بشرتنا أو جرحها، فإنها تخضع لعملية إصلاح معقدة، تتضمن أنواعًا متعددة من الخلايا والإشارات الجزيئية. يتم إغلاق الجرح في البداية بواسطة قشرة، ثم يتم استبدالها بنسيج جديد مماثل للجلد الأصلي. هذه العملية فعالة للغاية لدرجة أننا في كثير من الأحيان لا نلاحظ حدوثها.

تشمل الأمثلة الأخرى على الشفاء الذاتي في الطبيعة قدرة بعض النباتات على إعادة نمو الأطراف المفقودة، وتجديد الأطراف في بعض البرمائيات، والقدرة المذهلة لبعض أنواع الديدان على إعادة نمو أجسامها بالكامل.

عمل العلماء على تطوير مواد اصطناعية يمكنها محاكاة هذه القدرة على الشفاء الذاتي. إن مفهوم المواد ذاتية الشفاء ليس جديدا، ولكنه اكتسب اهتماما كبيرا في السنوات الأخيرة، حيث قام الباحثون باستكشاف مجموعة واسعة من المواد، من البوليمرات والهيدروجيل إلى المعادن والسيراميك.

البحث العلمي حول الشفاء الذاتي للمعادن

في عالم المعادن، كان السعي إلى الشفاء الذاتي أمرًا صعبًا بشكل خاص. على عكس المواد اللينة مثل البوليمرات والهيدروجيل، التي أظهرت مستوى معينًا من الشفاء الذاتي، يُعتقد أن المواد الصلبة المعدنية شديدة الصلابة وغير قابلة للإصلاح بحيث لا يمكن إصلاحها بشكل ذاتي.

على الرغم من هذه التحديات، قطع الباحثون خطوات واسعة في تطوير مواد معدنية يمكنها الشفاء ذاتيًا بمساعدة محفزات خارجية، مثل الحرارة، أو المحفزات الميكانيكية، أو إشعاع شعاع الالكترون. ومع ذلك، فإن الهدف الأسمى للشفاء الذاتي للمعادن هو إنشاء مواد يمكنها إصلاح نفسها بشكل مستقل دون أي تدخل خارجي.

الشفاء الذاتي في الفضة النانوية

لقد اكتشف الباحثون الشفاء الذاتي المستقل في الفضة النانوية. ومن خلال استخدام المجهر الإلكتروني النافذ في الموقع (in-situ TEM) ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD)، لاحظ الفريق أن الفضة النانوية يمكنها إصلاح نفسها من الأضرار الهيكلية، مثل الشقوق النانوية والمسام النانوية، دون أي تدخل خارجي.

في هذه الدراسة، تم استخدام صفائح الفضة النانوية أحادية البلورة كعينات اختبار، وتم تصميم العملية بعناية لتجنب أي تأثير خارجي على عملية الشفاء. وأظهرت النتيجة الرائعة أن المناطق المتضررة تم شفاءها ذاتيًا بسرعة، مع استعادة الشبكة البلورية للفضة لحالتها الأصلية بترتيب دقيق ذريًا.

يتحدى هذا الاكتشاف الواقع، حيث يتوقع المرء أن تكون المعادن ذات الحالة الصلبة أكثر صعوبة في الشفاء الذاتي مقارنة بالمواد “اللينة”. ومع ذلك، فإن هذا الاكتشاف يفتح إمكانيات جديدة لتطوير مكونات وأجهزة تتحمل الضرر.

كشف أسرار آلية الشفاء الذاتي لدى الفضة النانوية

لفهم كيف يمكن لمواد الفضة النانوية إصلاح نفسها بشكل مستقل، تعمق الباحثون في آلية الشفاء الذاتي. حيث حددوا العامل الرئيسي الذي يقود هذه الظاهرة، وهي الانتشار الذاتي لذرات الفضة عبر السطح.

عندما يتشكل تلف على المستوى النانوي، فإنه ينشئ موقعًا مقعرًا ذو انحناء محلي سلبي. ونظرًا للاعتماد العام على الانحناء للجهد الكيميائي، الطاقة التي يمكن امتصاصها أو إطلاقها بسبب تغيير عدد الجسيمات من الأنواع المعينة، فإن موقع الضرر المقعر سيكون له بالتالي جهد كيميائي أصغر نسبيًا مقارنة بالمناطق غير التالفة في الصفيحة النانوية. إن هذا الخلل المدمج في الجهد الكيميائي يدفع ذرات الفضة إلى الهجرة وإصلاح الضرر بشكل مستقل، مما يُظهِر شكلًا متطورًا من الصيانة الذاتية للمواد.

يمكن أن نتصور الموقع المتضرر على شكل تلة، حيث “تتدحرج” ذرات الفضة إلى الأسفل لملء الفجوة، وبالتالي استعادة الشبكة البلورية بترتيب دقيق ذريًا. تحدث عملية الشفاء الذاتي هذه بسرعة ويمكن تكرارها عدة مرات بنفس المستوى من الكفاءة.

على عكس الفضة، لم يُظهِر الذهب (Au) سلوكًا مشابهًا للشفاء الذاتي في درجة حرارة الغرفة، على الرغم من حقيقة أن الذهب هو العنصر الأكثر صلة بالفضة في الجدول الدوري ويشتركان في العديد من أوجه التشابه في الخصائص الفيزيائية والكيميائية.

• هل يمكن الإصابة بفيروس كورونا بعد الشفاء منه؟
• التجربة الثورية في ميكانيكا الكم: تجربة شتيرن-غيرلاخ
• الكشف عن روبوتات دقيقة لعلاج سرطان الرئة
• كن حذرًا! كيف تتجنب أشهر 10 إصابات رياضية عند ممارستك للرياضة؟
• أنظمة إيصال الدواء النانوية قادرة على تحقيق ثورة طبية!

تأثير المعادن ذاتية الشفاء

باستخدام المعادن ذاتية الشفاء، يمكننا إنشاء مواد أكثر مرونة ومتانة واستدامة. حيث يمكن للمواد أن تتحمل البيئات القاسية ودرجات الحرارة القصوى والاستخدام المكثف دون أن تظهر عليها علامات التآكل. ويمكن تطبيق هذه التكنولوجيا على مجموعة واسعة من الصناعات.

وفي المستقبل، يمكن للمعادن ذاتية الشفاء أيضًا أن تمكن من إنشاء مواد قابلة للتكيف ومتغيرة الشكل يمكنها الاستجابة للظروف البيئية المتغيرة. وقد يؤدي هذا إلى تطور في مجالات مثل الروبوتات، والمحاكاة الحيوية، والتصنيع المتقدم.

علاوة على ذلك، فإن اكتشاف المعادن ذاتية الشفاء يمكن أن يكون له آثار بيئية كبيرة. وباستخدام المواد التي يمكنها إصلاح نفسها بنفسها، يمكننا تقليل النفايات، والحفاظ على الموارد، وتقليل التأثير البيئي لإنتاج المواد.

المصادر

Expect the unexpected: nanoscale silver unveils intrinsic self-healing abilities | eurekalert

Direct observation of autonomous self-healing in silver | matter