חומרים טבעיים.

שלב 1 מתוך 5

חזק לאורך הסיבים

ביחידה על קשרים ומבנה ראינו שתכונות של חומר באות מהסידור של החלקיקים שלו. בעלי חיים וצמחים בונים מרשימה קצרה של רכיבים חלשים: שרשראות סוכר כמו תאית, חלבונים כמו קולגן ומשי, ושני מינרלים נפוצים. גיר מתפורר, וג׳לטין הוא ג׳לי רוטט, ובכל זאת גזע עץ מחזיק טונות בסערה.

בסצנה רצועת עץ אשוחית מונחת על שתי גלגלות, ובוכנה לוחצת על אמצעה. הגדילו את לחיצה עד שהעץ נשבר, וקראו את המאמץ, הכוח על כל יחידת שטח, בפאה התחתונה שנמתחת.

שלב 2 מתוך 5

לרוחב הסיבים

עץ הוא צרור של תאים ארוכים וחלולים, כמו קשיות שתייה שהודבקו זו לזו. התקרבות למולקולות בעצירה מיקרו מראה לאיזה כיוון התאים רצים. לאורך הסיבים את המשיכה נושאות דפנות התאים, העשויות תאית. לרוחב הסיבים המשיכה רק צריכה לקרוע את השכבה הדקה של הדבק בין התאים, פולימר חום בשם ליגנין.

נבאו מה יקרה לכוח שצריך כדי לכופף את העץ באותה לחיצה, כשנעביר את כיוון הסיבים ללרוחב.

שלב 3 מתוך 5

רמות בתוך רמות

בסצנה עצם, והתקרבות למולקולות עומדת על ננו. כל חומר טבעי בנוי ברמות, וכל רמה היא חומר מרוכב של הרמה שמתחתיה. בעצם יש אוסטאונים, צינורות של עצם בטבעות סביב כלי דם; בתוכם סיבונים של קולגן, ובין המולקולות שלהם גבישים שטוחים של סידן זרחתי; ובבסיס מולקולת הקולגן, שלוש שרשראות חלבון שזורות כחבל.

עברו בין העצירות מיקרו, ננו ומולקולות, וחשבו מי נושא את העומס ומי מעביר אותו הלאה.

שלב 4 מתוך 5

לעצור סדקים

חוזק הוא לא כל הסיפור. חומר צריך להיות גם קשוח: קשה לשבור אותו כשכבר יש בו סדק. זכוכית חזקה אבל לא קשוחה: סדק שהתחיל עובר דרכה ישר. בסצנה אם הפנינה, אחרי שנשברה, בעצירה מיקרו: קיר של לבנים זעירות של מינרל, בעובי חצי מיקרומטר, במלט של חלבון וכיטין. הסתכלו על המסלול של הסדק.

שלב 5 מתוך 5

קל וחזק

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. לפלדה רכה, שחוזקה 430 MPa וצפיפותה 7.85 g/cm³, הוא כ־55 kN·m/kg.

את הרעיונות האלה מהנדסים מעתיקים היום, בתחום שנקרא ביומימטיקה: לבידים וחומרים מרוכבים מסיבי פחמן מניחים סיבים בכיוון העומס, וקרמיקה בשכבות מחקה את אם הפנינה.