1

تکنولوژی وب‌زنی الهام‌گرفته از مرد عنکبوتی اکنون به واقعیت پیوسته است، که این امر به لطف کارهای نوآورانه محققان دانشگاه تافتس ممکن شده است.

این پیشرفت شگفت‌انگیز از مواد مبتنی بر ابریشم برای شلیک یک مایع از طریق سوزن‌های ریز استفاده می‌کند، که به محض خروج از سوزن به سرعت به یک رشته قوی و چسبنده تبدیل می‌شود.

این رشته قادر است به سطوح بچسبد و اشیاء را با قدرت و دقت شگفت‌انگیزی بلند کند.

شگفتی‌های تکنولوژی وب‌زنی

تکنولوژی وب‌زنی شامل تولید الیاف چسبنده‌ای است که از پیله‌های کرم ابریشم به دست می‌آید.

این پیله‌ها که در آزمایشگاه ابریشم دانشگاه تافتس یافت می‌شوند، در یک محلول پردازش می‌شوند تا زمانی که به فیبروئین، پروتئین‌های پایه ابریشم، تجزیه شوند.

پس از اینکه این محلول فیبروئین ابریشم از طریق سوزن‌های ریز خارج می‌شود، به یک جریان تبدیل می‌شود. با اضافه کردن مواد مناسب، این جریان به محض تماس با هوا به یک رشته تبدیل می‌شود.

شگفتی‌های ماده وب‌زنی در عمل

شگفتی‌های طبیعی ابریشم

طبیعت همواره منبع الهام اصلی برای ایجاد و استفاده از الیاف ابریشم بوده است. چندین موجود، از جمله عنکبوت‌ها و مورچه‌ها تا پروانه‌ها و سوسک‌ها، در برخی مراحل چرخه زندگی خود ابریشم تولید می‌کنند.

آزمایشگاه ابریشم دانشگاه تافتس از این شگفتی طبیعی الهام گرفته و منجر به توسعه‌های قابل توجهی شده است.

محققان چسب‌های قوی‌ای را ایجاد کرده‌اند که در زیر آب کار می‌کنند، حسگرهای قابل چاپ، پوشش‌های خوراکی برای افزایش عمر محصولات، و روش‌های تولید میکروچیپ دوستدار محیط زیست را توسعه داده‌اند.

الهام غیرمنتظره

با وجود پیشرفت‌های خود در زمینه مواد مبتنی بر ابریشم، محققان در تقلید از مهارت‌های عنکبوت‌ها با چالش‌هایی روبرو بودند و نمی‌توانستند سختی، الاستیسیته و خواص چسبندگی نخ‌های تولید شده را به‌دقت کنترل کنند. با این حال، یک کشف غیرمنتظره به آن‌ها کمک کرد تا بر چندین مانع مهندسی غلبه کنند.

مارکو لو پریستی، استاد دستیار تحقیق در دانشگاه تافتس گفت: «من در حال کار بر روی پروژه‌ای برای ساخت چسب‌های بسیار قوی با استفاده از فیبروئین ابریشم بودم و وقتی در حال تمیز کردن شیشه‌هایم با استون بودم، متوجه شدم که یک ماده شبیه تار در پایین شیشه شکل می‌گیرد.»

این کشف تصادفی به غلبه بر چندین مانع مهندسی در بازتولید تارهای عنکبوتی کمک کرد.

جادوی شیمی

محققان متوجه شدند که محلول‌های فیبروئین ابریشم می‌توانند در عرض چند ساعت در معرض حلال‌های آلی مانند الکل یا استون به یک هیدروژل نیمه‌جامد تبدیل شوند.

اضافه کردن دوپامین، عنصری که در تولید چسب‌ها استفاده می‌شود، باعث شد فرآیند جامد شدن تقریباً به‌طور آنی رخ دهد.

ترکیب حاوی دوپامین و پلیمرهای آن مشابه شیمی‌ای است که صدف‌ها برای ایجاد الیافی که به سطوح می‌چسبند استفاده می‌کنند.

برای تولید این الیاف در هوا، محققان دوپامین را به محلول فیبروئین ابریشم اضافه کردند. در حضور دوپامین، انتقال از مایع به جامد با کشیدن آب از ابریشم تسریع شد.

زمانی که از طریق یک سوزن هم‌محور شلیک می‌شود، یک جریان نازک از محلول ابریشم در یک لایه استون احاطه می‌شود و باعث جامد شدن آن می‌شود.

تکنولوژی وب‌زنی در دنیای واقعی

استون در هوا تبخیر می‌شود و رشته‌ای را پشت سر می‌گذارد که به هر شیئی که با آن تماس می‌گیرد، چسبیده است.

محققان محلول فیبروئین ابریشم-دوپامین را با کیتوزان، مشتق پوسته‌های حشره‌ای، و بافر بورات تقویت کردند که به‌طور قابل توجهی چسبندگی و استحکام کششی الیاف را افزایش داد.

این دستگاه می‌تواند الیافی شلیک کند که قادرند اشیاء را بیش از 80 برابر وزن خود بلند کنند و قطر الیاف بسته به اندازه سوزن متغیر است.

محققان این را با بلند کردن دقیق اشیاء مختلف، از جمله یک پیله، یک پیچ فولادی، یک لوله آزمایش شناور روی آب، یک اسکالپل که به‌طور جزئی در شن مدفون شده بود، و یک بلوک چوبی – همگی از فاصله‌ای حدود 12 سانتیمتر، نشان دادند.

ماده‌ای الهام‌گرفته از یک ابرقهرمان

لو پریستی گفت: «اگر به طبیعت نگاه کنید، خواهید دید که عنکبوت‌ها نمی‌توانند تار خود را شلیک کنند. آن‌ها معمولاً ابریشم را از غده خود خارج می‌کنند، با یک سطح تماس فیزیکی دارند و خطوط را برای ساخت تارهای خود کشیده می‌کنند.»

او افزود: «ما در حال نشان دادن روشی برای شلیک الیاف از یک دستگاه هستیم، سپس به یک شیء چسبیده و آن را از فاصله بلند می‌کنیم. به جای ارائه این کار به عنوان یک ماده الهام‌گرفته از طبیعت، واقعاً یک ماده الهام‌گرفته از ابرقهرمان است.»

در حالی که ابریشم طبیعی عنکبوت هنوز به‌طور قابل توجهی قوی‌تر از الیاف ساخته شده توسط انسان است، نوآوری‌های مداوم وعده می‌دهد که این شکاف را پر کند و یک سری از کاربردهای تکنولوژیکی ممکن را باز کند.

پروفسور فیورنتزو اومناتو، مدیر آزمایشگاه ابریشم گفت: «به عنوان دانشمندان و مهندسان، ما در مرز بین تخیل و عمل حرکت می‌کنیم. جایی که تمام جادو در آنجا اتفاق می‌افتد.»

او افزود: «در این مورد، ما می‌خواستیم مواد ابریشم خود را به‌گونه‌ای مهندسی معکوس کنیم که همانطور که طبیعت در ابتدا طراحی کرده و نویسندگان کمیک تصور کردند، عمل کند.»

این مطالعه در مجله “مواد عملکردی پیشرفته” منتشر شده است.