چرا ابریشم عنکبوت با وجود شکنندگی بسیار، از فولاد قوی‌تر است؟

ابریشم عنکبوت از دیرباز به عنوان بادوام‌ترین ماده طبیعی شناخته شده است. حتی گونه‌هایی از عنکبوت وجود دارند که ابریشمی تولید می‌کنند که پنج برابر قوی‌تر از فولاد است، مانند عنکبوت قهوه‌ای رکلوزا. اما باید این سوال را نیز پرسید که چرا ابریشم عنکبوت، که بسیار شکننده به نظر می‌رسد، تا این حد بادوام است. این نیز سوالی است که دانشمندان را گیج کرده است و آنها اخیراً پاسخ آن را یافته‌اند.

ابریشم عنکبوت بسیار قوی است، حتی قوی‌تر از سیم فولادی.

ابریشم عنکبوت ساختار منحصر به فردی دارد.

ابریشم عنکبوت، فیبر پروتئینی است که عنکبوت‌ها تولید و تنیده می‌کنند. آن‌ها از آن برای ایجاد تار برای گرفتن طعمه یا محافظت از تخم‌ها و عنکبوت‌های نوزاد خود استفاده می‌کنند. ساختار قوی این فیبرهای ابریشمی به عنکبوت‌ها اجازه می‌دهد تا طعمه‌هایی چندین برابر اندازه خود را به دام بیندازند.

اخیراً، محققان کالج ویلیام و مری (ایالات متحده آمریکا) با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی، ریزساختار الیاف ابریشمی که عنکبوت‌های منزوی قهوه‌ای برای محافظت از تخم‌های خود و گرفتن طعمه ایجاد می‌کنند را مشاهده کردند. آنها کشف کردند که هر رشته ابریشم عنکبوت، که از موی انسان نازک‌تر است، در واقع از هزاران نانوفیبر مختلف تشکیل شده است که تنها 20 نانومتر قطر و حدود 1 میکرومتر طول دارند.

این نانوالیاف ممکن است بلند به نظر نرسند، اما می‌توانند بیش از ۵۰ برابر اندازه اصلی خود کش بیایند. این ساختار، ابریشم عنکبوت را بسیار سخت و محکم می‌کند، به طوری که استحکام و دوام آن تا ۵ برابر بیشتر از یک میله فولادی با همان اندازه است.

ابریشم عنکبوت می‌تواند تا ۵۰ برابر اندازه اولیه خود کش بیاید.

پیش از این، دانشمندان در سراسر جهان ادعا کرده بودند که ابریشم عنکبوت از نانوالیاف ساخته شده است، اما هیچ مدرک محکمی وجود نداشت تا اینکه این کشف در مجله علمی ACS Macro Letters (ایالات متحده آمریکا) منتشر شد.

دلیلش این است که ابریشم عنکبوت قهوه‌ای گوشه‌گیر از نانوفیبرهایی تشکیل شده که به صورت مسطح چیده شده‌اند، نه به صورت استوانه‌ای مانند اکثر عنکبوت‌های دیگر. این امر مشاهده آنها را با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی برای دانشمندان آسان‌تر می‌کند.

این یافته به تحقیقاتی که این تیم در سال ۲۰۱۷ انجام داده بود، می‌افزاید و نشان می‌دهد که چگونه عنکبوت‌های منزوی قهوه‌ای با استفاده از یک تکنیک حلقه‌زنی خاص، ابریشم خود را تقویت می‌کنند. عنکبوت‌های منزوی قهوه‌ای مانند یک چرخ خیاطی کوچک، حدود ۲۰ نانو نخ را برای هر میلی‌متر ابریشمی که می‌تنند، می‌بافند و نخ را تقویت می‌کنند تا پاره نشود.

یک رشته از ابریشم عنکبوت برای حفظ ساختار کلی "قربانی" می‌شود.

متخصصان مکانیک مولکولی، تارهای گونه‌های مختلف عنکبوت، از جمله عنکبوت باغی اروپایی Araneus diadematus و عنکبوت تارباف Nephila clavipes را بررسی کرده‌اند. با مطالعه ابریشم در سطح مولکولی، آنها دریافتند که می‌توانند استحکام تارهای عنکبوت را توضیح دهند.

دکتر بوئلر توضیح می‌دهد که می‌توان الیاف ابریشم را به صورت جداگانه «قربانی» کرد تا ساختار کلی حفظ شود. او می‌گوید: «وقتی یک الیاف ابریشم کشیده می‌شود، ساختار مولکولی آن با افزایش نیرو کشیده می‌شود و الیاف را می‌کشد.»

ابریشم عنکبوت فقط زمانی پاره می‌شود که بخواهد ساختار کلی خود را حفظ کند.

این تغییر در چهار مرحله رخ می‌دهد: ابتدا، کل رشته کشیده می‌شود؛ سپس، یک مرحله استراحت که در آن پروتئین‌ها "از هم باز می‌شوند". سوم، رشته تحت یک مرحله سفت قرار می‌گیرد که بیشترین مقدار نیرو را جذب می‌کند. مرحله نهایی قبل از پاره شدن رشته توسط بوهلر به کندن یک تکه نوار چسب تشبیه شده است؛ همچنین نیروی زیادی برای پاره شدن رشته لازم است زیرا پروتئین‌ها توسط پیوندهای هیدروژنی چسبنده در کنار هم نگه داشته شده‌اند.

دکتر بوئلر گفت: «استحکام تار عنکبوت نه تنها به دلیل استحکام نخ ابریشم است، بلکه به نحوه تغییر خواص مکانیکی آن هنگام کشیده شدن نیز بستگی دارد.»

تویت آن (منبع: سنتز)

مفید
احساسات
خلاق
منحصر به فرد
خشم