רשימה קצרה של רכיבים
מהנדסים יכולים לבחור כמעט כל יסוד ולחמם את החומרים שלהם לאלפי מעלות. יצורים חיים לא יכולים. הם בונים בטמפרטורת הגוף, בתוך מים, ממה שהם מוצאים או מייצרים, ורשימת הרכיבים קצרה: כמה סוכרים שמחוברים לשרשראות, כמו תאית בצמחים וכיטין בחרקים ובקונכיות; כמה חלבונים, כמו קולגן, משי וקרטין; ושני מינרלים נפוצים, סידן פחמתי (גיר) וסידן זרחתי.
לבדם הרכיבים האלה גרועים. גיר מתפורר, ג׳לטין (קולגן מבושל) הוא ג׳לי רוטט, וגוש של חלבון משי מיובש נשבר כמו טופי ישן. ובכל זאת גזע של עץ מחזיק טונות בסערה, עצם הירך נושאת אתכם במורד גרם מדרגות, וקונכייה של אבלון שורדת את המקור של תמנון רעב. ההבדל איננו במה שהם עשויים ממנו, אלא באופן שבו הוא מסודר.
חזק לאורך הסיבים
בחרו עץ ולחצו. רצועת אשוחית מתכופפת, מתיישרת בחזרה אם מרפים ממנה, ונשברת בלחיצה של בערך 6 mm, במאמץ של 75 מגה־פסקל בפאה התחתונה, המתמתחת. עכשיו העבירו את כיוון הסיבים ללרוחב ונסו שוב. אותו עץ, חתוך בכיוון השני, מתכופף בכוח קטן בערך פי חמישה־עשר, ונשבר במאמץ קטן פי עשרים.
נסו: בחרו עץ, קבעו את לחיצה על 10 mm והשוו בין לאורך ללרוחב. אחר כך עברו בהתקרבות למולקולות אל מיקרו וראו לאיזה כיוון התאים פונים.
עץ הוא צרור של תאים ארוכים וחלולים, כמו קשיות שתייה שהודבקו זו לצד זו. לאורך הסיבים המשיכה נישאת על ידי דפנות התאים עצמן, שעשויות תאית, אחד הפולימרים הטבעיים הקשיחים ביותר. לרוחב הסיבים המשיכה צריכה רק לקרוע את שכבת הדבק הדקה שבין התאים, פולימר חום שנקרא ליגנין. עץ לא צריך הרבה חוזק לרוחב הגזע שלו, ולכן הוא לא משקיע שם חומר. העצם עושה אותו דבר: החוזק שלה פונה לאורך העצם, כפי שהיא נטענת כשאתם עומדים והולכים.
רמות בתוך רמות
עברו בהתקרבות למולקולות דרך מיקרו, ננו ומולקולות. כל חומר בנוי ברמות, וכל רמה היא חומר מרוכב מהרמה שמתחתיה. בעץ, כל דופן של תא כרוכה מסיבונים דקים של תאית, שמונחים בזווית שונה בכל שכבה, כמו השכבות של דיקט; בשכבה העבה ביותר הם מתפתלים בזווית של 10 עד 20 מעלות בלבד לאורך התא, ולכן הם נושאים את המשיכה כמעט ישר. כל סיבון הוא גביש של שרשראות תאית שמוחזקות זו לצד זו בקשרי מימן, אותה משיכה חלשה שמחזיקה מים יחד, חוזרת מיליוני פעמים.
העצם עוברת מאוסטאונים, צינורות של עצם בטבעות סביב כלי דם, לסיבונים של חלבון הקולגן עם גבישים שטוחים של סידן זרחתי במרווחים קבועים בין המולקולות, ועד מולקולת הקולגן עצמה, שלוש שרשראות חלבון שכרוכות לחבל. אם הפנינה היא קיר לבנים של לוחיות מינרל בעובי חצי מיקרומטר, בטיט של חלבון וכיטין. משי הוא צרור של סיבונים, וכל אחד מהם סבך של שרשראות חלבון זרוע גבישים זעירים.
מבנה של רמות מציב כל רכיב במקום שבו הוא מועיל ביותר. החלק הקשיח והשביר (גביש, לוחית מינרל) נושא את העומס, החלק הרך (חלבון, דבק פולימרי) מעביר אותו מחתיכה קשיחה אחת לבאה, והחתיכות קטנות כל כך שכמעט אין בהן פגמים. גביש של מינרל בעובי כמה ננומטרים חזק כמעט כמו גביש מושלם, ולכן לא משנה שהגיר עצמו חלש.
לעצור סדקים
חוזק הוא לא כל הסיפור. חומר צריך להיות גם קשוח: קשה לשבור אותו אחרי שכבר יש בו סדק. זכוכית חזקה אבל לא קשוחה, כי סדק שהתחיל עובר דרכה ישר. לחצו על אם הפנינה עד שהיא נשברת והביטו במיקרו. הסדק לא יכול לחתוך את הלוחיות, ולכן הוא מתפתל בזיגזג סביבן, שולף לוחיות נגד הדבק ומותח חוטי חלבון לרוחב הפער. אם הפנינה היא 95% מינרל, ובכל זאת דרושה בערך פי אלף יותר אנרגיה כדי לשבור אותה מאשר גביש פשוט של אותו מינרל.
נסו: בחרו אם הפנינה, לחצו עד 10 mm, ועברו בהתקרבות למולקולות אל ננו ואחר כך אל מולקולות. הלוחיות מחליקות על הדבק שלהן, והלולאות של החלבון נפתחות אחת אחת.
העצם משתמשת באותו תכסיס. אחרי מתיחה של בערך 0.7% נפתחים בתוכה סדקים זעירים ונעצרים בקווי המלט שסביב כל אוסטאון, ולכן הרצועה ממשיכה להתכופף ובולעת אנרגיה לפני שהיא נשברת. גדילי החלבון עצמם מוסיפים שכבה אחרונה: הם מקופלים ללולאות שמוחזקות סגורות בקשרים חלשים, “קשרי הקרבה”, שנשברים ומשחררים אורך חבוי הרבה לפני שהגדיל עצמו נקרע, ויכולים להיווצר שוב אחר כך.
קל וגם חזק
מה שחשוב לעץ, לעצם בכנף של ציפור או לקורי עכביש הוא חוזק ביחס למשקל. חלקו את החוזק של חומר בצפיפות שלו ותקבלו את החוזק לקילוגרם שלו, שמוצג בתרשים שליד הסצנה. אשוחית, בצפיפות של 0.45 גרם לסנטימטר מעוקב, עוקפת פלדה רכה בערך פי שלושה. משי עכביש עוקף אותה בערך פי חמישה־עשר: חוט גרירה נקרע ב־1100 מגה־פסקל ושוקל רק שישית ממנה. בחרו משי עכביש והזיזו את לחיצה עד הסוף, 40 mm. החוט קשיח בהתחלה, ואז השרשראות שלו נפרשות והוא נמתח ברבע מאורכו לפני שהוא נקרע, ובולע יותר אנרגיה לכל קילוגרם מהסיבים שבאפוד מגן מפני כדורים.
גדלים, לא מיוצרים
חומרים טבעיים נוצרים בטמפרטורת החדר ממים, מסוכר, מאוויר ומעט מינרל מומס, ורבים מהם מתקנים את עצמם. עצם עוברת שיפוץ כל הזמן: תאים ממיסים עצם ישנה ומניחים אוסטאונים חדשים במקומות שבהם העומס הגדול ביותר, ולכן אסטרונאוטים מאבדים עצם במסלול, ולשחקני טניס יש עצמות עבות יותר בזרוע של המחבט. עצים מגדלים עץ נוסף בצד אחד של גזע נטוי.
מהנדסים מעתיקים היום את הרעיונות האלה, בתחום שנקרא ביומימטיקה: דיקט וחומרים מרוכבים מסיבי פחמן מציבים סיבים בכיוון העומס, קרמיקות בשכבות מחקות את אם הפנינה, ומעבדות טוות משי עכביש מלאכותי מחלבונים שמייצרים חיידקים. השוו לחומרים המהונדסים בטכנולוגיית חומרים, לשרשראות בפולימרים ופלסטיק, לאטומים המסודרים בגבישים ולאופן שבו חלבונים מתקפלים בחלבונים וקיפול.
מה המודל הזה משמיט
כל עקומה היא ערך טיפוסי; עץ, עצם, קונכייה ומשי אמיתיים משתנים פי כמה לפי המין, הגיל, קצב הגדילה והלחות, וכל הארבעה נבחנים בטבע כשהם רטובים, ואז הם רכים וקשוחים יותר מאשר יבשים. נוסחת הקורה למאמץ בפאה המתמתחת מניחה כיפופים קטנים וקפיציים; מעבר לגבול האלסטי, ובכיפופים הגדולים של העצם, היא רק קירוב, וגם הכוח על הלוחץ מחושב מאותה נוסחה. רצועה של עץ או עצם שנלחצת בפאה העליונה גם מתקמטת שם, והמודל מאחד את זה לעקומה אחת. חוט המשי נחשב מתוח מההתחלה, והתמיכות שלו חסרות חיכוך. התצוגות המוגדלות הן אידאליזציה: בעץ אמיתי יש קרניים ותעלות שרף, בעצם יש תאים וכלי דם רבים, והלולאות של החלבון באם הפנינה וסדר המולקולות במשי עדיין נחקרים.