تار عنکبوت

مقدمه

تار عنکبوت از پروتئین رشته‌ای فیبروئین ساخته شده‌است. این پروتئین از آمینو اسیدهای آلانین و گلیسرین، سرشار است. بیشتر رشته‌های پلی پپتیدی سازندهء این پروتئین، به صورت صفحات بتا آرایش یافته‌اند. این صفحات در زمینه‌ای از رشته‌های آمینو اسید به صورت صفحات آلفا جای گرفته‌اند. مارپیچ‌های آلفا با بی نظمی زیادی به هم پیچیده‌اند و همین بی نظمی باعث خاصیت کش سانی تار می‌شود. یکی از ویژگی‌های جالب تار عنکبوت این است که مقدار زیادی نمک و مواد ضد باکتری و ضد قارچ دارد که در برابر حملهء باکتری‌ها و قارچ‌ها از آن محافظت می‌کند.

دلیل تار تنیدن عنكبوت

عنکبوت در محل زندگی خودش تارهایی را درست می کند تا بتواند به شکار مگس و حشرات کوچک نظیر آن پرداخته و غذایش را تهیه کند تارهایی که عنکبوت به وجود می آورد دارای یک شکل هندسی بسیار دقیق و اغلب زیبا می باشد این تارها با همه ی زیبایی و دقتی که در ساختمان آن ها به کار رفته است در حقیقت دامی مهلک و کشنده برای بسیاری از حشرات می باشد.

عنکبوت ها انواع متعددی دارند و هر نوعی از آن ها تارهای متفاوتی از نظر ساختمانی درست می کنند، تارها در ابتدا مایعی چسبنده اند که در مجاورت هوا خشک شده و شبیه نخ ابریشم می شود البته تمام عنکبوت ها برای شکار خودشان از این تارها استفاده نمی کنند بلکه بعضی به طور مستقیم به شکار کردن می پردازند.

تار عنکبوت چگونه ساخته می شود؟

بسیاری می پندارند که عنکبوت با ابریشم خود فقط تارهای ساده می تند در حالی که حقیقت آن است که هیچ جانداری به اندازه ی عنکبوت این همه از ابریشم استفاده های گوناگون نکرده است.

منظور از ابریشم همان مایعی است که از اندام عنکبوت تراوش می شود. در شکم عنکبوت غده هایی جای گرفته اند که ابریشم تولید می کنند. در قسمت بالای شکمش نیز اندام ریسنده تعبیه شده است. اندام ریسنده ی عنکبوت دارای سوراخ های بسیار ریزی است که ابریشم از درون آن با فشار بیرون می جهد. ابریشم بصورت مایع از اندام عنکبوت بیرون می آید ولی در مجاورت هوا بیدرنگ جامد و سفت می شود .

عنکبوت ابریشم های گوناگونی تولید می کند . یک نوع از آن ابریشم چسبنده است که عنکبوت آن را در تار ریسی به کار می برد که حشرات را به خود جذب و به دام مرگ گرفتارشان می کند . انواع دیگر تارهای عنکبوت این چسبندگی راندارند بلکه در استحکام بخشیدن به تارهای دیگر نقش پره های چرخ را بازی می کنند . نوعی دیگر از ابریشم به کار پیله سازی جانور می آید .

نحوهء تولید تار

عنکبوت از آب به عنوان حلال پروتئین ابریشم خود استفاده می‌کند. در عنکبوت مجاری تار ریسی وجود دارند. در بخش ابتدای هر مجرا، غده‌های ترشحی وجود دارند که پروتئین سازندهء تار را ترشح می‌کنند. در این قسمت ملکول‌های پروتئین در حلال آب غوطه ورند و حالت بلور مایع دارند. در بخش دوم مجرا، پمپ‌های پروتون، فعالانه یون‌های H⁺  را به درون مجرا ترشح و آن جارا اسیدی می‌کنند در این محیط، از خاصیت آب دوستی بلور مایع کاسته می‌شود. در نتیجه، ملکول‌های آب از ابریشم تار جدا و به کمک پمپ Na⁺/K+ATPase  از مجرا برداشته می‌شوند. مجرای تارریسی در انتهای خود باریک تر می‌شود. در نتیجهء نیرویی که از عقب و دیوارهء مجرا به بلور مایع وارد می‌شود، این بلور شکل رشته مانندی به خود می‌گیرد و با برداشت ملکول‌های آب حالت جامد تری پیدا می‌کنند. بخش بعدی مجرا نقش مرکز کنترل کیفیت را دارد و در صورتی که پیوستگی تار مشکل داشته باشد، آن را بر طرف می‌کند. بخش انتهایی مجرا، محل خروج تار ریسیده شده‌است. چون در این بخش، تار حالت جامد تری به خود می‌گیرد، غده‌های ویژه‌ای مواد لغزنده کننده‌ای را به سطح داخلی مجراترشح می‌کنند تا خروج تار تسهیل شود.

کاربردهای تار عنکبوت

تار عنکبوت از فولاد محکم تر است. با وجود این، در مقایسه با فولاد بسیار سبک و انعطاف پذیر است. از این رو برخی آن را فولاد زنده نامیده‌اند. این فولاد آن قدر محکم است که می‌توان از آن توری ساخت. و با آن یک بوئینگ 747 را متوقف کرد و در عین حال، آن قدر سبک و انعطاف پذیر است که می‌توان از آن لباس تهیه کرد. بنابر این، کاربردهای آن در پزشکی و صنعت زیاد است.

کاربرد در پزشکی

به دلیل محکمی و در عین حال انعطاف پذیری، می‌توان از آن برای تهیهء نخ جراحی، زردپی و رباط مصنوعی و دستکش‌های جراحی بهره برد. تار عنکبوت نقش ضد عفونی کننده و پانسمانی نیز دارد. زیرا عنکبوت برای حفاظت تار پروتئینی خود در برابر باکتری و قارچ‌ها، تارش را به مواد ضد باکتری و ضد قارچ آغشته می‌کند. از این رو می‌توان از آن برای پانسمان زخم استفاده کرد.

کاربرد در صنعت

·         تولید طناب‌های بسیار محکم برای کوهنوردی، چتر نجات

·         تولید تورهای ماهیگیری محکم

·         تولید لباس غواصی مقاوم در برابر کوسه‌ها

·         تولید لباس ضد گلوله

خلق مواد برتر با تقلید از عنکبوت

پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس ( UCLA ) براین باورند که با مطالعه توانمندی عنکبوت‌ها در تنیدن تار می‌توان 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 می‌توانند با تقلید از قدرت عنکبوت در تنیدن تار، فرایند طراحی مواد را بهبود بخشند . به این ترتیب آن‌ها می‌توانند کارآیی محصولات گوناگونی را از راکت تنیس گرفته تا بمب افکن استلیث بهبود بخشند . آزمایش‌های انجام شده توسط پرفسور کو نشان می‌دهند که تار عنکبوت در برابر تغییر خواص، فوق العاده مقاوم است و می‌توان آن را در هوا یا زیر آب تنید .

الیاف تار عنکبوت و ظرافت آن – قطری در حدود 02/0 میکرون – برتری‌های فراوانی دارند . ویژگی‌های ذاتی تارعنکبوت برای مهندسان که در حال طراحی مواد برای مشتریان و بازار صنعتی هستند، بسیار جذاب است . پرفسور هان می‌گوید : « به طور معمول می‌توان موادی فوق العاده قوی ساخت ولی با این کار چقرمگی کاهش می‌یابد . هم چنین می‌توان موادی با چقرمگی فوق العاده بالا ساخت ولی استحکام کاهش خواهد یافت . ترکیب این دو ویژگی همان گونه که در تار عنکبوت مشاهده می‌شود، هدف ماست . »

پرفسور کوکه سال هاست عمر خود را صرف مطالعه الیاف عنکبوت کرده‌است، در ژانویه 2002 به دوست و همکار قدیمی خود پرفسور هان در UCLA پیوست تا چند پروژه پژوهشی را رهبری کند . این پروژه‌ها تحت تأثیر ویژگی‌های چشمگیر تار عنکبوت تعریف شده‌اند .

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 می‌کند 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 می‌کند ) آغاز کرده و ذرات نانو متری با ویژگی‌های مشخص را به آن می‌افزاید تا کامپوزیت‌هایی با کارآیی‌های گوناگون بسازد . پرفسور کو می‌گوید : « یک عنکبوت قدرت فوق العاده‌ای در تغییر ویژگی‌های تارش برای کارهای گوناگون دارد . این همان چیزی است که ما به دنبال آن هستیم . »

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

اگرچه به کارگیری ذرات میکرونی در طراحی مواد مدت‌های زیادی است معمول است، پرفسور هان ذرات نانو متری را برای افزایش کارآیی مواد به کار گرفته‌است . او می‌گوید : « هنگام به کارگیری ذرات با اندازه میکرونی استحکام کاهش می‌یابد، در حالی که با استفاده از ذرات نانومتری، کارآیی‌هایی هم چون ویژگی‌های الکترو مغناطیسی ماده افزایش می‌یابند، بدون این که استحکام آن دچار کاستی شود . »

پرفسور کو می‌گوید : « فن آوری نانو به ما اجازه می‌دهد به آن چیزی که تأثیر کوانتومی نامیده می‌شود، دست یابیم . » این تأثیر کوانتومی است که علت افزایش کارآیی به صورت فزاینده، سریع تر شدن واکنش‌های شیمیایی و حرکت الکترون‌ها و هدایت بهتر حرارت را توضیح می‌دهد . در مقیاس نانو، به علت ریز بودن مواد و چسبندگی اتم‌ها ماده قوی تر می‌شود .

در حالی که پرفسور هان آزمایشاتی برای افزایش کارآیی نانو کامپوزیت‌ها انجام می‌دهد، پرفسور کو روی الیاف و نانو کامپوزیت‌های به شکل الیاف کار می‌کند . پرفسور کو معتقد است یک وجه مهم تارعنکبوت، شکل رشته‌ای آن است . در حالی که یک عنکبوت قادر است دسته‌ای از تارهای خود را بدون هیچ کوشش قابل ملاحظه‌ای 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 100 نانو متر ، 1000 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 می‌شود . 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 گرفته‌اند .

به گفته پرفسور کو یکی از برتری‌های شکل رشته‌ای، قابلیت فرم دهی آن به شکل دلخواه است. یک ورق صلب را نمی‌توان به هر شکلی در آورد، در حالی که الیاف را می‌توان به شکل‌های هندسی گوناگون شکل دهی کرد .

به دلایل مشابه، پرفسور هان از ذرات نانو متری برای افزایش ویژگی‌های یک پلیمر استفاده می‌کند . پرفسور کو می‌گوید : « نانو الیاف به جهات مختلف از الیاف میکرونی بهترند . نانو الیاف سطح بیشتری برای کارکردن دارند . هنگامی که شما ماده‌ای 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 شده‌ای دارند . این کاربردها عبارتند از کامپیوترهای همراه، مخازن ذخیره انرژی هیدروژنی و دارو رسانی . حوزه الکتریک نیز تحت تأثیر نانو ذرات قرار گرفته‌است . سیم‌ها و لوازم الکترونیک کوچک تر شده‌اند ولی به لحاظ قدرت و سرعت رشد یافته‌اند . سازندگان لوازم صنعتی نیز فن آوری نانو را برای ساخت لوازم ورزشی از جمله راکت تنیس به کار می‌گیرند .

پرفسور کو می‌گوید : « ممکن است عنکبوت‌ها هنوز پاسخ‌های 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 می‌داند . به گفته او می‌توان از عنکبوت‌ها نکات بیشتری را فرا گرفت و هنوز رازهایی برای حل باقی مانده‌است .

راز استحكام تارهای عنكبوت

دانشمندان همچنین دریافته‌اند که فیبرهای ابریشم عنکبوت‌ها از دو جزء اصلی آمورف نرم و سخت بلوری تشکیل شده‌اند. ...

به گزارش ایسنا؛ عنکبوت ها تار ابریشمی را برای استفاده در تارهای خود و همچنین آویزان کردن خود از آن می تنند.

دانشمندان بر این باور هستند که دلیل این استحکام باورنکردنی در ترکیب منحصر به فرد آن از یک ماده چسبنده و لزج بی شکل و یک ماده سخت بلورین نهفته است.

این مواد به صورت جداگانه از تاثیر زیادی برخوردار نیستند اما وقتی با هم ترکیب می شوند به تولید تار ابریشمی با قدرتی چند منظوره منجر می شوند.

در این پژوهش که توسط محققان موسسه علوم نظری هایدلبرگ در آلمان انجام شده به معماری فیبرهای ابریشمی از سطوح بالای اتمی نگاه شده است.

محققان اطلاعات جدیدی در مورد ساختار مولکولی به دست آوردند که زمینه ساز ویژگی های شگفت انگیز مکانیکی مواد طبیعی هستند.

به گفته این دانشمندان، فیبرهای ابریشمی از خصوصیات جالب مکانیکی برخوردارند. آنها از استحکامی برابر با استیل برخوردارند.

دانشمندان همچنین دریافته اند که فیبرهای ابریشم عنکبوت ها از دو جزء اصلی آمورف نرم و سخت بلوری تشکیل شده اند.

دانشمندان برای دستیابی به درک بهتر از کارایی این فیبرها یک روش محاسباتی بالا به پایین چند بعدی را اجرا کردند كه از سطح اتم های سازنده زیرواحدهای آمورف و بلوری آغاز شده بود و محققان به تشریح همکاری های این اجزای اصلی پرداختند.

محققان از هر دو شبیه سازی مولكولی برای مطالعه زیرواحدهای تک و جفت و شبیه سازی المان محدود برای یک مدل فیبر جامع استفاده کردند.

آنها دریافتند که زیرواحدهای آمورف نرم مسوول کشش ابریشم بوده و همچنین به توزیع فشار کمک می کند.

حداکثر سختی ابریشم نیازمند میزان مشخصی از زیرواحدهای بلوری بوده و به شیوه ای که زیرواحدها در فیبر توزیع شده اند بستگی دارد.

منبع: پایگاه تنین، نوشته شده توسط : هدیه نیکپور

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان،تهیه و تنظیم: نسرین صادقی