مثبت بیست و چهار

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 …

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 . 

و این هم در مورد ساختار تار عنکبوت که مشابه با ساختار پروتئینی کرم ابریشم هستش:

عنکبوت و کرم ابریشم دارای غده های مولد پروتئین های لیفی هستند که با ریسیدن آنها الیافی بدست می آید که از فولاد محکمتر است. تنها تعداد محدودی از تولید مصنوعی از جمله “کولارKevlar” تولید شرکت DuPont قابل رقابت با این الیاف هستند. الیاف کولار در جلیقه های ضد گلوله, وسایل ورزشی, قطعات هواپیما و ریسمانهای مورد استفاده در سکوهای نفتی بکار میرود.ولی الیاف کولار انعطاف پذیری بسیار کمتری نسبت به تارعنکبوت دارد. این بدان معناست که تارعنکبوت قبل از پاره شدن انرژی زیادی جذب میکند: مزیتی که عنکبوت به کمک آن موفق به شکار حشرات میشود.مهندسان علاقه زیادی به استفاده از تارعنکبوت در صنعت دارند, ولی استخراج این ماده از طبیعت گران تمام میشود. بهمین علت پژوهشگران در جستجوی راهی برای تولید انبوه این ماده به صورت مصنوعی هستند.از آنجا که تارعنکبوت نوعی پروتئین است, ساخت آن توسط ژنی در موجود زنده مولد آن کنترل میشود. با وجود اینکه ساختمان شیمیایی این ترکیب پروتئینی شناخته شده, پیچیدگی آن تولید مصنوعی آن را مشکل میکند. روش بهتر استفاده از موجودات زنده برای تولید طبیعی این ماده است.تولید الیاف بادوام از پروتئین تارعنکبوت (که در آب قابل انحلال است) کار مشکلی است و هیچکس تا کنون این کار را بخوبی عنکبوتها انجام نمیدهد. ولی محققین امیدوارند که تولید انبوه این ماده مشکلات مربوط به ریسیدن آنرا حل کند.

این رو هم اضافه کنم که پروتئین اون مشابه با پروتئین ابریشم هست و پر (کراتین) و دیگه این که فقط از پروتئین تشکیل شده و مواد دیگه ای در ساختارش به کار نرفته. فقط علت تنوع اون پیوندهای گوناگونی هست که بین منومرهای پروتئینی اون بسته میشه که این شکل پیوندها هم با توجه به گونه عنکبوت متفاوت هستش.

دانشمندان آلمانی موفق شدند با کشف فرآیند ساخت تارعنکبوت در طبیعت نمونه اولیه تارعنکبوت مصنوعی را بصورت صنعتی تولید کنند. رشته های تارعنکبوت از ماده ای مقاوم، سبک و بسیار انعطاف پذیر ساخته شده اند. به همین علت از ده ها سال قبل دانشمندان در تلاش بودند که بصورت مصنوعی این رشته ها را تولید کنند. تارعنکبوت از دو پروتئین با عناوین ADF3وADF4 تشکیل شده است که دانشمندان تاکنون توانسته اند این دو پروتئین را با کمک باکتری های اصلاح ژنتیکی شده بصورت مصنوعی تولید کنند. اما اکنون گروهی از دانشمندان «پلی تکنیک» مونیخ موفق شده اند به نتایج مثبتی در خصوص درک فرآیند ساخت تارهای عنکبوت دست یابند.  تیم تحقیقاتی مرکز فیزیک نجوم «اسمیت سونیان» دانشگاه «هاروارد» به سرپرستی «فابریتزیو نیکاسترو» که در هفته های گذشته نتایج تحقیقات خود را در مجله علمی «ساینس» منتشر کردند با کمک یک شبیه سازی رایانه ای موفق شدند گستردگی ماده تاریک در جهان نزدیک را مورد بررسی قرار دهند و مشاهده کنند که این ماده به طرف گرمایی که به سبب تاثیرات جاذبه ای ماده تاریک شکل گرفته است، جذب می شود. این دانشمندان با طرح تئوری «تار عنکبوت های کیهانی» توضیح دادند که ماده تاریک به همان روشی که تارهای عنکبوت تشکیل می شوند در جهان پخش می شود. همچنین نشان دادند که ماده زنده بخشی از ماده مرئی کیهان است که در حدود دو و نیم درصد از ۵درصد ماده معمولی جهان را تشکیل می دهد و این ماده مرئی تمام کهکشان ها را می سازد. این درحالی است که ۹۵درصد دیگر ماده کیهانی را ماده تاریک تشکیل داده است. به گزارش مهر، به تازگی مجله علمی «گالیه» مصاحبه ای را با «فابریتزیو نیکاسترو» سرپرست این تیم دانشمندان فیزیک نجوم انجام داده است که در ادامه، متن این مصاحبه را می خوانید:

دکتر نیکاسترو، رسیدن به راس پارادکس ماده تاریک از کجا شروع می شود؟
- موقعیت این است: ما از ۷۰درصد ماده کیهانی هیچ چیز نمی دانیم. ما به این ماده انرژی می گوییم چراکه فکر می کنیم می تواند قدرت «پس زدن» که هستی در حال گسترش آن بوده و مخالف نیروی گرانش است را بیان کند. ما کشف کردیم که ۲۵درصد از این ماده باید از مواد «غیر باریون» باشد اما برای ۵درصد باقیمانده می دانیم که چیست، اما نمی دانیم که در کجا واقع شده است. بهتر بگویم ما موفق شدیم جوانترین بخش جهان(و بنابراین دورترین نقطه کیهان) را در این تار عنکبوت بین کهکشانی ببینیم، درحالی که در جهان نزدیکتر که منطبق بر دو سوم سن کیهان است، به نظر می رسد که این ماده از بین رفته باشد.

اما این تار عنکبوت بین کهکشانی چگونه تشکیل شده است؟

- تئوری کیهان شناسی ما پیش بینی می کند که در ادامه انفجار بزرگ(بیگ بنگ)، این ماده به روشی غیرهمگن و نامتجانس شروع به گسترش کرده است به طوری که در برخی مناطق چگالتر از نقاط دیگر است. در این نقاط به دلیل نیروی گرانش، این ماده روی خود متلاشی شده و منجر به شکل گیری کهکشان ها می شود که در این مورد ما می توانیم تصور کنیم که این گره های تور چگونه تشکیل شده اند. پس از آنکه این ماده از نقطه راس گسترده شد، شروع به پیشروی و تشکیل نوعی از رودخانه هایی کرد که به سمت این مراکز جذب جریان می یابند. امروز وقتی تلسکوپ های خود را در جهت شبه ستارگان کهکشان های دورتر قرار می دهیم قبل از رسیدن نور آنها به ما این نور قطع و جذب بخشی از این تارعنکبوت می شود و ما برپایه تشعشاتی که به ما نمی رسند(طیف های جذب) می توانیم این ماده را بشناسیم.

شما همراه با محققان مرکز فیزیک نجوم «اسمیت- سونیان» و دانشگاه ایالت «اوهایو» توانستید اولین اندازه گیری ماده باریونی را انجام دهید، روند این اندازه گیری چگونه بود؟
- در این مورد ما محل و زمان مشاهده را به دست آوردیم و لحظه مناسبی را که در آن یک «بلاسر» که در حقیقت یک جرم آسمانی با جرم بسیار بالا در جهان دور است را تعیین کردیم. این جرم آسمانی میزان زیادی فوتون را گسیل می کند. ما با استفاده از اطلاعاتی که تلسکوپ اشعه «ایکس» چاندار جمع آوری کرده بود، توانستیم وجود تنها نیمی از ماده باریونی پیش بینی شده از مدل کیهان شناسی را تخمین بزنیم.

بیشتر در مورد انرژی و ماده تاریک صحبت کنید؟

- زمانی که ما از انرژی تاریک صحبت می کنیم حتی نمی دانیم به دنبال چه چیزی می گردیم، اما این موضوع اسرار آمیز است و فروختن چیزهای اسرارآمیز به مردم آسانتر است. اما از دیدگاه علمی به نظر من مهمتر است که اول اطلاعات خود را درباره ماده باریونی کامل کنیم، چرا که معتقدیم که با کشفیات بیشتر در این عرصه می توانیم درباره هستی بیشتر بدانیم و این چیزی است که حتی می تواند ما را به تحقیقات بیشتر به سوی انرژی تاریک رهنمون کند.