لماذا يعتبر حرير العنكبوت أقوى من الفولاذ على الرغم من كونه هشًا جدًا؟

[إعلان 1]

لطالما عُرف حرير العنكبوت بأنه المادة الطبيعية الأكثر متانة على الإطلاق. حتى أن هناك أنواعًا من العناكب تُنتج حريرًا أقوى بخمس مرات من الفولاذ، مثل عنكبوت المسك البني. ولكن لا بد من التساؤل أيضًا عن سبب متانة حرير العنكبوت، الذي يبدو هشًا للغاية، إلى هذه الدرجة. هذا سؤال حيّر العلماء ، ولم يجدوا إجابته إلا مؤخرًا.

حرير العنكبوت قوي جدًا، حتى أنه أقوى من الأسلاك الفولاذية.

يتمتع حرير العنكبوت ببنية فريدة من نوعها.

حرير العنكبوت هو ألياف بروتينية تنتجها العناكب وتغزلها. تستخدمه لبناء شبكاتها لاصطياد فرائسها أو لحماية بيضها وصغارها. بفضل البنية القوية لهذه الألياف الحريرية، تتمكن العناكب من اصطياد فرائس تفوق حجمها بكثير.

مؤخرًا، استخدم باحثون في كلية ويليام وماري (الولايات المتحدة الأمريكية) مجهر القوة الذرية لرصد البنية الدقيقة لألياف الحرير التي تُنتجها عناكب الناسك البني لحماية بيضها واصطياد فرائسها. واكتشفوا أن كل خيط من خيوط حرير العنكبوت، وهو أرق من شعرة الإنسان، يتكون في الواقع من آلاف الألياف النانوية المختلفة، بقطر 20 نانومترًا فقط وطول حوالي ميكرومتر واحد.

قد لا تبدو هذه الألياف النانوية طويلة، لكنها قادرة على التمدد لأكثر من 50 ضعف حجمها الأصلي. هذا الهيكل يجعل حرير العنكبوت متينًا وقويًا للغاية، بقوة ومتانة تفوقان قضيبًا فولاذيًا بنفس الحجم بخمس مرات.

يمكن لخيوط العنكبوت أن تمتد إلى ما يصل إلى 50 ضعف حجمها الأصلي.

في السابق، ادعى العلماء في جميع أنحاء العالم أن حرير العنكبوت مصنوع من ألياف نانوية، ولكن لم يكن هناك دليل قاطع حتى تم نشر هذا الاكتشاف في المجلة العلمية ACS Macro Letters (الولايات المتحدة).

يعود ذلك إلى أن حرير العنكبوت البني الناسك يتكون من ألياف نانوية مرتبة بشكل مسطح، وليس بشكل أسطواني كما هو الحال في معظم العناكب الأخرى. وهذا يُسهّل على العلماء رصدها باستخدام مجهر القوة الذرية.

يُضاف هذا إلى البحث الذي أجراه الفريق عام ٢٠١٧، والذي يُظهر كيف تُقوّي عناكب الناسك البني حريرها باستخدام تقنية نسج حلقات خاصة. كآلة خياطة صغيرة، تنسج عناكب الناسك البني حوالي ٢٠ خيطًا نانويًا لكل مليمتر من الحرير تغزله، مما يُقوّي الخيط حتى لا ينقطع.

يتم "التضحية" بخيط واحد من حرير العنكبوت للحفاظ على البنية العامة.

قام خبراء الميكانيكا الجزيئية بفحص شبكات أنواع مختلفة من العناكب، بما في ذلك عنكبوت الحدائق الأوروبي (Araneus diadematus) وعنكبوت نسج الشبكات (Nephila clavipes). ومن خلال دراسة الحرير على المستوى الجزيئي، وجدوا أنه بإمكانهم تفسير قوة شبكات العنكبوت.

يوضح الدكتور بوهلر أنه يمكن "التضحية" بألياف الحرير الفردية للحفاظ على بنيتها العامة. ويقول: "عند شد ليف حريري، يتمدد تركيبه الجزيئي مع ازدياد القوة، مما يؤدي إلى تمدده".

لا ينكسر حرير العنكبوت إلا عندما يرغب في الحفاظ على بنيته العامة.

يحدث هذا التغيير على أربع مراحل: أولاً، يتمدد الخيط بأكمله؛ ثم مرحلة استرخاء حيث "تنفتح" البروتينات. ثالثاً، يمر الخيط بمرحلة تصلب تمتص أكبر قدر من القوة. شبّه بوهلر المرحلة الأخيرة قبل انكسار الخيط بتمزيق قطعة من الشريط اللاصق؛ كما يتطلب كسر الخيط قوة كبيرة لأن البروتينات متماسكة بروابط هيدروجينية لزجة.

وقال الدكتور بوهلر: "إن قوة شبكة العنكبوت لا ترجع فقط إلى قوة خيط الحرير، بل أيضًا إلى كيفية تغير خصائصها الميكانيكية عند سحبها".

تويت آنه (المصدر: التوليف)

مفيد
العاطفة
مبدع
فريد
الغضب