بين يك راكت تنيس بسيار سبك و يك فضاپيما چه ارتباطي وجود دارد؟ پاسخ اين است كه هر دو فراوردهي فنآوري ديرينهاي هستند كه پيشينهي آن به زمان تمدنهاي باستاني بازميگردد. بيش از 2 هزار سال پيش، معماران باستان كشف كردند كه مي توان با افزودن كاه به گل رس، آجرهاي سخت و پايداري به دست آورد. اين شيوهي معماري در ايران، ميانرودان و مصر بسيار به كار گرفته شد. در سدههاي ميانه(قرون وسطي) معماران اروپايي ديوارها را با روكشي ميپوشاندند كه از گل و مو تشكيل شده بود.
امروزه ، ما اين نوع مخلوط را چندسازه(composite) ميناميم. طي پنجاه سال گذشته، مهندسان و دانشمندان علم مواد(موادشناسان) آموختهاند موادي مانند سراميكهاي سخت و رشتههاي تيتانيوم را جايگزين گل و كاه كنند و به شيوههايي مشابه شيوههاي نياكانمان، چندسازههايي بسيار سخت و سبك بسازند. اين چندسازهها براي ساختن همه چيز، از راكتهاي تنيس گرفته تا فضا پيماها، به كار ميآيند.
چند سازهها به طور معمول با جاي دادن رشتهها يا ذرههايي از مادهاي ديگر ساخته ميشوند. در نخستين چندسازههاي دست بشر، اين مادهاي زمينه اي، گل رس بود. امروزه، مادهي زمينه ميتواند فلز، گونهاي بسپار(پليمر) يا حتي سراميك باشد. در هر صورت، مادهي زمينه مانند چسب كار ميكند و خردههاي چندسازه را به هم ميچسباند. خردهها، يعني رشتههاي كربن يا ذرههاي سراميك، نيز مانند كاه باعث سختي و پايداري چندسازه ميشوند.
ويژگيهاي يك چندسازه فراتر از ويژگيهاي خردههاي سازندهاش است. براي نمونه، يكي از معموليترين چند سازههاي امروزي GRP يا glass reinforced plastic است. اين چندسازه از هزاران رشتهي شيشهاي ميكروسكوپي ساخته شده است كه در زمينهاي از بسپار رزين جاي گرفتهاند. شيشه، شكننده و بسپار رزين بسيار انعطافپذير است. با وجود اين، GRP هم سخت و هم پايدار است. اين چند سازه، مادهي اوليهي بسيار خوبي براي ساختن بدنهي قايقهاي بادباني مسابقهاي است.
چندسازههاي طبيعي
اگر چه مواد شناسان تنها در چند دههي گذشته به سوي چندسازهها گرايش پيدا كردهاند، طبيعت در خود چندسازههاي بسيار سخت، پيچيده و گوناگوني دارد كه از ديدگاه سختي و وزن، مانندي براي آنها نميتوان يافت. به هر جاي طبيعت كه مينگريم، با يك چندسازه رو به رو ميشويم. براي نمونه، صدفهاي دريايي از چندسازهي سراميكي سختي ساخته شدهاند. اين سراميك از لايههايي از بلورهاي سخت تشكيل شده كه در زمينهي سيماني نرمتري جاي دارند. اين سراميك سخت و پايدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداري ميكند كه پيوسته آن را بر سطح سخرهها مي كوبد.
چوب نيز نوعي چندسازه است. اين چند سازه از رشتههاي سخت سلولوز تشكيل شده كه درون بسپاري نرم به نام پكتين(Pectin) جاي گرفتهاند. بدون چند سازهها ما نمي توانيم به پا خيزيم. بدن ما پر از چند سازه است. استخوانهاي ما از سختترين چندسازه ها هستند. ديوارهي رگها ، زردپيها و رباطها نيز از چندسازهها درست شده اند. پوست سخت حشرهها نيز نوعي چند سازه است. روي هم رفته، پايهي معماري طبيعت بر چندسازه هاست.
بشر از ساليان دور از چندسازههاي طبيعي بهره گرفته است. كاه كه براي ساختن نخستين چندسازهها به كار ميرفت، خود نوعي چندسازه است. ابزارهاي چوبي، كفش و لباسي كه از پوست جانوران تهيه ميشود، همه چندسازههاي طبيعياند. به خاطر اين گوناگوني و ويژگيهاي بيمانند، موادشناسان تلاش ميكنند از اين مواد براي سختي بخشيدن به چندسازههاي ساختگي(مصنوعي) بهره گيرند تا از پيامدهاي زيست محيطي ناگوار ناشي از مواد ساختگي بكاهند.
رشته هاي جادويي
در اغلب جانوران پر سلولي، از جمله انسان، رشتههاي پروتئيني محكمي به نام كلاژن (collagen) به عنوان اسكلت مولكولي بدن كار ميكنند. اين رشتهها در استخوان، زردپيها، رباطها ، غضروف و پوست يافت ميشوند. يك رشتهي كلاژن، مانند قطعهاي از طناب از رشتههاي كوچكتري تشكيل شده است كه به دور يكديگر پيچيدهاند.
يك مولكول كلاژن از سه زنجيره ي پروتئيني تشكيل شده كه به دور يك ديگر پيچيدهاند و هر كدام از واحدهاي كوچكتري به نام اسيدآمينه تشكيل شدهاند. مولكولهاي كلاژن به گونهاي ويژه كنار يكديگر آرايش مييابند و يك ريز رشته را ميسازند. تعداد زيادي از اين ريز رشتهها به دور يكديگر ميپيچند تا يك رشتهي كلاژن ساخته شود.
ساختمان مولكولي و اتمي يك رشتهي كلاژن
رشتههاي كلاژن با مواد گوناگوني در هم ميآميزند ميشوند و چندسازههايي با تواناييهاي ويژه ميسازند. براي نمونه، كلاژن در استخوان با بلورهاي كلسيم در هم ميآميزد و ساختار سختي ميسازد. در نگاهي دقيقتر، استخوان مانند يك بتون مسلح به نظر ميرسد كه رشتههاي كلاژن آن مانند ميلگردهاي فولادي بتون، درون سيماني از بلورهاي هيدروكسي آپاتيت Ca10(PO4)6(OH)2 و پروتئينهاي نارشتهاي از جمله اوستئوپونتين(osteopontin) و اوستئوكلسين(osteocalcin)جاي گرفتهاند. رشتههاي كلاژن مانند ميلگردهاي بتون مسلح، استخوان را در برابر ضربه پايدار ميسازند و سيمان اين بتون (بلورهاي كلسيم + پروتئين هاي نارشتهاي) بر پايداري آن در برابر فشار ميافزايد.
اگر مقدار رشتههاي كلاژن استخوان كاهش يابد، استخوان به اصطلاح پوك مي شود و با كوچكترين ضربهاي مي شكند و اگر مادهاي سيماني استخوان به گونهاي درست توليد نشود (براي نمونه، كلسيم به مقدار كافي جذب استخوان نشود) پايداري استخوان در برابر فشار كاهش مييابد. چنين استخوان نرمي، تحمل وزن بدن را از دست ميدهد و كج ميشود. اين وضعيت در كودكاني ديده ميشود كه به مقدار كافي كلسيم دريافت نميكنند يا به علت نقص ژنتيكي، كلسيم به مقدار كافي جذب استخوانهايشان نميشود.
استخوان كه يك چندسازه به شمار ميرود، با بتون مسلح دو تفاوت اساسي دارد. نخست اين كه زنده است . لابهلاي مادهي زمينهاي استخوان كه در واقع چند سازهاي از رشتههاي كلاژن و بلورهاي كلسيم است، سلولهاي استخواني قرار دارند كه پيوسته استخوان را نوسازي ميكنند. ديگر آن كه اين چند سازه بسيار سختتر و ماندگارتر است و ماندگاري را بيشتر از زنده بودن خود و نوسازي پيوسته به ارمغان ميبرد.
