تارعنکبوت ، قوی ترین الیاف موجود در جهان

براساس مجموعه مقالات چاپ شده توسط آکادمی ملی علوم آمریکا ، پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا و ارتش ایالات متحده در مطالعه تار عنکبوت به پیشرفت هایی دست یافته اند . پروتئینی که عنکبوت را قادر می سازد خود را آویزان کند و هم چنین به شکار طعمه کمک می کند نظر دانشمندان را به خود جلب کرده است . ملکول های این پروتئین بسیار کشسان و قوی هستند و به گونه ای طراحی شده اند که بتوان آن ها را کشید . تار عنکبوت را می توان تا سی الی پنجاه درصد طول اولیه اش بدون پاره شدن کشید . این ماده از فولاد محکم تر و از نظر استحکام با الیاف کولار قابل مقایسه است .

برمبنای مجموعه مقالات چاپ شده ، شمار نوشتارهای علمی درزمینه تارعنکبوت در دهه گذشته افزایش قابل توجهی داشته است . این افزایش به علت ویژگی های مکانیکی شگفت انگیز تارعنکبوت است . علاقه به تارعنکبوت در حالی است که مواد زیستی و بیومیمتیک دوزمینه بسیار قابل توجه و روبه روشد درزمینه پژوهش های مواد است . ‏
‏     دلیل توجه ارتش ایالات متحده به این ماده استفاده از آن در ساخت جلیقه های ضد گلوله و محافظ هاست . هدف عمده پژوهش های دانشگاه کالیفرنیا ، درک چگونگی چین خوردن این پروتئین و سازماندهی رشته تار عنکبوت است . پژوهشگران با استفاده از روش میکروسکوپ نیروی اتمی و یک کشنده مولکولی با تصویربرداری و کشش این پروتئین به سرنخ هایی دست یافته اند . این مشاهدات به پژوهشگران کمک می کند تا آن چه را هنگام تشکیل تارعنکبوت در غده تراوش تارعنکبوت رخ می دهد ، شبیه سازی کنند . آن ها دریافته اند که وقتی پروتئین باز می شود به صورت تکه تکه است . درضمن این پروتئین دارای پیوندهایی است که هنگام افزایش بار، باز شده و تغییر شکل می دهند ، این امر از الگویی پیروی می کند که دردیگر پروتئین های تحت بار کشف شده است . ‏  تارعنکبوت دارای بخش های کریستالی و بخش های شبه لاستیکی کشسانی است . پژوهشگران دریافته اند که مولکولهای منفرد دارای هردوبخش هستند . ‏

خلق مواد برتر با تقلید از عنکبوت :‏
‏ پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس ( ‏UCLA‏ ) براین باورند که با مطالعه توانمندی عنکبوت ها در تنیدن تار می توان به راز تولید مواد قوی تر و بهتر پی برد . بنابراظهار نظر توماس هان ، استاد دانشگاه مکانیک و هوا فضا دانشگاه کالیفرنیا و فرانک کو استاد دانشگاه در کسل ، مهندسان می توانند با تقلید از قدرت عنکبوت در تنیدن تار ، فرایند طراحی مواد را بهبود بخشند . به این ترتیب آن ها می توانند کارآیی محصولات گوناگونی را از راکت تنیس گرفته تا بمب افکن استلیث بهبود بخشند . آزمایش های انجام شده توسط پرفسور کو نشان می دهند که تار عنکبوت در برابر تغییر خواص ، فوق العاده مقاوم است و می توان آن را در هوا یا زیر آب تنید . ‏
الیاف تار عنکبوت و ظرافت آن – قطری در حدود ۰۲/۰ میکرون – برتری های فراوانی دارند . ویژگی های ذاتی تارعنکبوت برای مهندسان که در حال طراحی مواد برای مشتریان و بازار صنعتی هستند ، بسیار جذاب است . پرفسور هان می گوید : ” به طور معمول می توان موادی فوق العاده قوی ساخت ولی با این کار چقرمگی کاهش می یابد . هم چنین می توان موادی با چقرمگی فوق العاده بالا ساخت ولی استحکام کاهش خواهد یافت . ترکیب این دو ویژگی همان گونه که در تار عنکبوت مشاهده می شود ،  هدف ماست . ” ‏

‏     پرفسور کوکه سال هاست عمر خود را صرف مطالعه الیاف عنکبوت کرده است ، در ژانویه ۲۰۰۲ به دوست و همکار قدیمی خود پرفسور هان در ‏UCLA‏ پیوست تا چند پروژه پژوهشی را رهبری کند . این پروژه ها تحت تأثیر ویژگی های چشمگیر تار عنکبوت تعریف شده اند . ‏
‏     به عنوان مثال پرفسور هان ، یک پلیمر را که با ذرات نانو متری تهیه شده توسط پرفسور ریچارد کانر در دانشکده شیمی دانشگاه کالیفرنیا تقویت می کند تا بتواند یک نانو کامپوزیت قوی تر با کارآیی بهتر بسازد . پرفسور هان با یک پلیمر پایه ( شبیه به ماده بیولوژیکی است که عنکبوت برای تنیدن تارش استفاده می کند ) آغاز کرده و ذرات نانو متری با ویژگی های مشخص را به آن می افزاید تا کامپوزیت هایی با کارآیی های گوناگون بسازد . پرفسور کو می گوید : ” یک عنکبوت قدرت فوق العاده ای در تغییر ویژگی های تارش برای کارهای گوناگون دارد . این همان چیزی است که ما به دنبال آن هستیم . ” ‏

‏     پرفسور هان توانست با افزودن نانو صفحات گرافیتی ، ماده ای با خواص الکترو مغناطیسی بهتر از جمله رسانایی بالا تهیه کند . این ویژگی در ساخت هواپیما بسیار مهم است . پرفسور هان می گوید : ” دیگر نباید نگران امواج الکترو مغناطیس و بارهای الکترو استاتیک که با عملکرد اجزای الکترونیکی تداخل می کنند باشید . ” او می افزاید : ” اگر رعد و برق به بال هواپیما که با مواد ضعیف ساخته شده است برخورد کند یک سوراخ بزرگ در آن ایجاد می کند . ” قابلیت افزایش کارآیی یک کامپوزیت صنایع گوناگون را بهره مند می سازد . پرفسور هان که مدت سی سال است با نیروی دریایی و نیروی هوایی آمریکا کار می کند ، اشاره می کند که محرکی قوی برای به کارگیری مواد با کارآیی بالا در صنایع هوا فضا وجود دارد . کاربردهای فضایی ، ماهواره ها و هواپیماهای استیلث همگی به دقت بالا ، کنترل حرارت ، کنترل سفتی ، پایداری و جذب رادار نیاز دارند . ” ‏

‏     اگرچه بکارگیری ذرات میکرونی در طراحی مواد مدت های زیادی است معمول است ، پرفسور هان ذرات نانو متری را برای افزایش کارآیی مواد به کار گرفته است . او می گوید : ” هنگام به کارگیری ذرات با اندازه میکرونی استحکام کاهش می یابد ، در حالی که با استفاده از ذرات نانومتری ، کارآیی هایی هم چون ویژگی های الکترو مغناطیسی ماده افزایش می یابند ، بدون این که استحکام آن دچار کاستی شود . ” ‏
‏     پرفسور کو می گوید : ” فن آوری نانو به ما اجازه می دهد به آن چیزی که تأثیر کوانتومی نامیده می شود ، دست یابیم . ” این تأثیر کوانتومی است که علت افزایش کارآیی به صورت فزاینده ، سریع تر شدن واکنش های شیمیایی و حرکت الکترون ها و هدایت بهتر حرارت را توضیح می دهد . در مقیاس نانو ، به علت ریز بودن مواد و چسبندگی اتم ها ماده قوی تر می شود . ‏
‏     در حالی که پرفسور هان آزمایشاتی برای افزایش کارآیی نانو کامپوزیت ها انجام می دهد ، پرفسور کو روی الیاف و نانو کامپوزیت های به شکل الیاف کار می کند . پرفسور کو معتقد است یک وجه مهم تارعنکبوت ، شکل رشته ای آن است . در حالی که یک عنکبوت قادر است دسته ای از تارهای خود را بدون هیچ کوشش قابل ملاحظه ای تولید کند ، انسان باید فرآیندهایی همانند ریسندگی الکترواستاتیک یا الکترو ریسندگی را برای تولید الیاف در مقیاس نانو به کار گیرد . ‏

‏     فرآیند الکترو ریسندگی ، قابلیت ساخت الیافی با قطر کمتر از ۱۰۰ نانو متر ، ۱۰۰۰ برابر نازک تر از موی انسان را داراست . برای ریسندگی یک پلیمر مایع با دستگاهی شبیه به سوزن روی یک صفحه متصل به زمین ، از بار الکتریکی استفاده می شود . این الیاف فوق العاده ظریف دارای خلل و فرج بسیاری بوده و سطح ویژه بالایی دارند ، از نظر تجاری و علمی نانو الیاف به شدت مورد توجه قرار گرفته اند . ‏
‏     به گفته پرفسور کو یکی از برتری های شکل رشته ای ، قابلیت فرم دهی آن به شکل دلخواه است . یک ورق صلب را نمی توان به هر شکلی در آورد ، در حالی که الیاف را می توان به شکل های هندسی گوناگون شکل دهی کرد . ‏
‏     به دلایل مشابه ، پرفسور هان از ذرات نانو متری برای افزایش ویژگی های یک پلیمر استفاده می کند . پرفسور کو می گوید : ” نانو الیاف به جهات مختلف از الیاف میکرونی بهترند . نانو الیاف سطح بیشتری برای کارکردن دارند . هنگامی که شما ماده ای با قطر بسیار کم در اختیار دارید ، سطح زیادی برای واکنش شیمیایی در اختیار دارید . یعنی وقتی ضخامت بسیار کم باشد ، با مقدار ماده مساوی ، قابلیت واکنش ماده با دیگر مواد بهتر است . ”        ‏
‏     کاربردهای بالقوه مواد ساخته شده با نانو ذرات ، طیف وسیع و شناخته شده ای دارند . این کاربردها عبارتند از کامپیوترهای همراه ، مخازن ذخیره انرژی هیدروژنی و دارو رسانی . حوزه الکتریک نیز تحت تأثیر نانو ذرات قرار گرفته است . سیم ها و لوازم الکترونیک کوچک تر شده اند ولی به لحاظ قدرت و سرعت رشد یافته اند . سازندگان لوازم صنعتی نیز فن آوری نانو را برای ساخت لوازم ورزشی از جمله راکت تنیس به کار می گیرند . ‏   پرفسور کو می گوید : ” ممکن است عنکبوت ها هنوز پاسخ های بیشتری برای مهندسان در زمینه ساخت مواد برتر و محصولات بهتر داشته باشند . ” پرفسور کو ، تار عنکبوت را یکی از جذاب ترین مواد موجود در طبیعت می داند . به گفته او می توان از عنکبوت ها نکات بیشتری را فرا گرفت و هنوز رازهایی برای حل باقی مانده است .