Το μετάξι της ταπεινής αράχνης έχει μερικές εντυπωσιακές ιδιότητες. Είναι ένα από τα πιο ανθεκτικά υλικά που βρέθηκαν στη φύση, ισχυρότερα από χάλυβα και πιο σκληρά από το Kevlar. Μπορεί να τεντωθεί αρκετές φορές το μήκος του πριν σπάσει. Για τους λόγους αυτούς, η αναπαραγωγή του μεταξιού αράχνη στο εργαστήριο υπήρξε ένα κομμάτι μιας εμμονής μεταξύ των επιστημόνων υλικών εδώ και δεκαετίες.
σχετικό περιεχόμενο
- Τα δόντια των σαλιγκαριών κτυπά το αράχνο του μετάξι ως το ισχυρότερο υλικό της φύσης
- Μπορεί το Spider Silk να σταματήσει ένα κινούμενο τρένο;
Τώρα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Cambridge δημιούργησαν ένα νέο υλικό που μιμείται τη δύναμη, την εφελκυσμό και την απορρόφηση ενέργειας. Αυτό το υλικό προσφέρει τη δυνατότητα βελτίωσης σε προϊόντα από ποδήλατα κράνους έως αλεξίπτωτα σε αλεξίσφαιρα σακάκια με φτερά αεροπλάνου. Ίσως η πιο εντυπωσιακή ιδιοκτησία του; Είναι 98 τοις εκατό νερό.
"Οι αράχνες είναι ενδιαφέροντα μοντέλα επειδή είναι σε θέση να παράγουν αυτές τις εξαιρετικές ίνες μεταξιού σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας νερό ως διαλύτη", λέει ο Darshil Shah, μηχανικός στο Κέντρο Φυσικής Καινοτομίας του Cambridge. "Αυτή η διαδικασία αράχνες έχουν εξελιχθεί για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, αλλά δεν μπορούσαμε να αντιγράψουμε μέχρι στιγμής".
Οι εργαστηριακές ίνες δημιουργούνται από ένα υλικό που ονομάζεται υδρογέλη, το οποίο είναι 98 τοις εκατό νερό και 2 τοις εκατό διοξείδιο του πυριτίου και κυτταρίνη, τα δεύτερα που συγκρατούνται μαζί με cucurbiturils, μόρια που χρησιμεύουν ως "χειροπέδες." Η πυριτία και οι ίνες κυτταρίνης μπορούν να τραβηχτούν από την υδρογέλη. Μετά από περίπου 30 δευτερόλεπτα, το νερό εξατμίζεται, αφήνοντας πίσω του μόνο το ισχυρό, ελαστικό νήμα.
Οι ίνες είναι εξαιρετικά ισχυρές - αν και όχι τόσο ισχυρές όσο τα ισχυρότερα μεταξωτά μεταξωτά - και, σημαντικά, μπορούν να γίνουν σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς χημικούς διαλύτες. Αυτό σημαίνει ότι αν μπορούν να παραχθούν σε κλίμακα, έχουν ένα πλεονέκτημα έναντι άλλων συνθετικών ινών όπως το νάιλον, οι οποίες απαιτούν εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες για την κλώση, καθιστώντας την κλωστοϋφαντουργία μία από τις πιο βρώμικες βιομηχανίες στον κόσμο. Το μεταξωτό μετάξι είναι επίσης πλήρως βιοαποικοδομήσιμο. Και επειδή είναι κατασκευασμένο από κοινά, εύκολα προσβάσιμα υλικά - κυρίως νερό, πυριτία και κυτταρίνη - έχει τη δυνατότητα να είναι οικονομικά προσιτή.
Επειδή το υλικό μπορεί να απορροφήσει τόσο πολύ ενέργεια, θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί ως προστατευτικό ύφασμα.
"Οι αράχνες χρειάζονται την ικανότητα απορρόφησης επειδή όταν ένα πουλί ή μια μύγα χτυπάει τον ιστό τους, πρέπει να είναι σε θέση να το απορροφήσει, αλλιώς πρόκειται να σπάσει", λέει ο Shah. "Επομένως, τα πράγματα όπως το ανθεκτικό σε σχάρα ή άλλα προστατευτικά στρατιωτικά ρούχα, θα ήταν μια συναρπαστική εφαρμογή."
Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν πανιά πανιά, ύφασμα αλεξίπτωτου, υλικό μπαλονιού θερμού αέρα και κράνη ποδηλάτου ή skateboard. Το υλικό είναι βιοσυμβατό, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μέσα στο ανθρώπινο σώμα για πράγματα όπως ράμματα.
Οι ίνες θα μπορούσαν επίσης να τροποποιηθούν με διάφορους ενδιαφέροντες τρόπους, λέει ο Shah. Η αντικατάσταση της κυτταρίνης με διάφορα πολυμερή θα μπορούσε να μετατρέψει το μετάξι σε ένα τελείως διαφορετικό υλικό. Η βασική μέθοδος θα μπορούσε να αναπαράγεται για να παράγει εκδόσεις πολλών υφασμάτων με χαμηλή θερμότητα, χωρίς χημικά διαλύτες.
"Είναι μια γενική μέθοδος για να φτιάξετε όλες τις ίνες, για να κάνετε οποιαδήποτε μορφή [τεχνητής] πράσινης ίνας", λέει ο Shah.
Ο Σάχ και η ομάδα του απέχουν πολύ από τους μοναδικούς επιστήμονες που εργάζονται για τη δημιουργία τεχνητού μεταξιού αράχνης. Σε αντίθεση με τους μεταξοσκώληκες, που μπορούν να καλλιεργηθούν για το μεταξωτό τους, οι αράχνες είναι κανιμπάλες που δεν θα ανεχτούν τα στενά τεταρτημόρια που απαιτούνται για την καλλιέργεια, οπότε η στροφή προς το εργαστήριο είναι ο μόνος τρόπος για να πάρουμε σημαντικές ποσότητες του υλικού. Κάθε λίγα χρόνια συγκεντρώνουν πρωτοσέλιδα για νέες εξελίξεις στη διαδικασία. Μια γερμανική ομάδα έχει τροποποιήσει βακτήρια Ε-coli για την παραγωγή μορίων αράχνης αράχνης. Οι επιστήμονες στο κρατικό πανεπιστήμιο της Γιούτα γεννήθηκαν γενετικά τροποποιημένες "αιγών αράχνης" για να παράγουν πρωτεΐνες μετάξι στο γάλα τους. Ο αμερικανικός στρατός δοκιμάζει το "μεταξωτό δράκο" που παράγεται μέσω τροποποιημένων μεταξοσκωλήκων για χρήση σε αλεξίσφαιρα γιλέκα. Νωρίτερα φέτος, οι ερευνητές του Ινστιτούτου Karolinska της Σουηδίας δημοσίευσαν ένα έγγραφο σχετικά με μια νέα μέθοδο για τη χρήση βακτηρίων για την παραγωγή πρωτεϊνών από μετάξι αράχνης με έναν πιθανώς βιώσιμο, κλιμακωτό τρόπο. Και αυτή την άνοιξη, το Bolt Threads ξεκίνησε με την εκκίνηση της Καλιφόρνιας και έκανε το ντεμπούτο των βιοτεχνικών γραβάτες μεταξιού αράχνης στο φεστιβάλ SXSW. Το προϊόν τους παράγεται μέσω διεργασίας ζύμωσης ζύμης που παράγει μεταξωτές πρωτεΐνες, οι οποίες στη συνέχεια περνούν από διαδικασία εξώθησης για να γίνουν ίνες. Είναι πολύ ελπιδοφόρο για να έχει δημιουργήσει μια συνεργασία με την υπαίθρια κατασκευαστή Patagonia.
Αλλά, όπως επισημαίνει η ιστορία του 2015 με την ενσύρματη επικοινωνία, «μέχρι στιγμής, κάθε ομάδα που προσπάθησε να παράγει αρκετά υλικά για να την φέρει στη μαζική αγορά, από ερευνητές σε γιγάντιες εταιρείες, έχει αποτύχει σχεδόν.
Αυτή είναι η πρόκληση που αντιμετωπίζει ο Σάχ και η ομάδα του.
"Σήμερα κάνουμε περίπου μερικές δεκάδες χιλιοστόγραμμα αυτών των υλικών και στη συνέχεια τραβήξουμε τις ίνες από αυτές", λέει. «Αλλά θέλουμε να προσπαθήσουμε να το κάνουμε αυτό σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα».
Για να γίνει αυτό, η ομάδα εργάζεται σε μια ρομποτική συσκευή για να τραβάει και να περιστρέφει τις ίνες πιο γρήγορα και σε μεγαλύτερη κλίμακα από ό, τι στο παρελθόν. Είχαν κάποια επιτυχία, λέει ο Shah και συνεχίζουν να διερευνούν τη διαδικασία.
«Είμαστε ακόμα στα αρχικά στάδια της έρευνας», λέει.
Τα ευρήματα της ομάδας δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Proceedings της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών .
