الرجل العنكبوت يلهم العلماء لابتكار شباك لاصقة!

خيوط الرجل العنكبوت

لقد حاول كل طفل قرأ كتابًا مصورًا أو شاهد فيلمًا من أفلام الرجل العنكبوت أن يتخيل كيف سيكون شعوره إذا أطلق خيوط الرجل العنكبوت من معصمه، وتأرجح بين المباني، وهزم الأشرار. وقد أخذ الباحثون في جامعة تافتس هذه المشاهد الخيالية على محمل الجد وابتكروا أول تقنية لرمي الشباك حيث يمكن لمادة سائلة أن تنطلق من إبرة، وتتصلب على الفور في شكل خيط، وتلتصق بالأشياء وترفعها.

استوحى فريق البحث، بقيادة ماركو لو بريستي وفيورينزو أومينيتو، الإلهام من نساجي الطبيعة الرئيسيين، العناكب والنمل والدبابير والنحل والفراشات والعث والخنافس وحتى الذباب. يمكن لهذه الحشرات إنتاج الحرير في مرحلة ما من دورة حياتها، واستخدامه لإنشاء شبكات معقدة، وشرانق، وخيوط. ويعمل العلماء في مختبر سيلك لاب بجامعة تافتس على تسخير قوة المواد القائمة على الحرير لسنوات، وإنشاء منتجات مبتكرة مثل المواد اللاصقة القوية، وأجهزة الاستشعار القابلة للطباعة، والطلاء الصالحة للأكل.

محتويات المقال :

تاريخ المواد القائمة على الحرير

لقد كان الحرير مادة ثمينة منذ آلاف السنين، وهو مرغوب فيه لقوته ومرونته وبريقه الاستثنائيين. لقد أتقن الصينيون واليابانيون والكوريون القدماء فن حصاد الحرير من شرانق دودة القز، ونسجه في أقمشة رائعة، واستخدامه في صنع الملابس الاحتفالية، والأعمال الفنية، وحتى العملات.

لننتقل سريعًا إلى القرن العشرين، عندما بدأ العلماء في كشف الأسرار الجزيئية للحرير. إن اكتشاف وحدات بناء بروتين الحرير، المعروفة باسم الفيبروين (Fibroin)، فتح الباب أمام أبحاث المواد المستوحاة من المواد الحيوية. حيث تم تطوير أول ألياف حرير اصطناعية في السبعينيات، لكنها كانت تفتقر إلى الخصائص الاستثنائية للحرير الطبيعي.

وفي التسعينيات، كان الباحثون في جامعة تافتس رائدين في استخدام ألياف الحرير لإنشاء مواد جديدة ذات خصائص رائعة. لقد طوروا مواد لاصقة قوية، وأجهزة استشعار قابلة للطباعة، وطلاء صالح للأكل، وحتى طرق تصنيع الرقائق الدقيقة المستدامة.

اكتشاف بالصدفة

يمكن أن تكون الحوادث أفضل صديق للباحث، وتجربة ماركو لو بريستي هي خير مثال على ذلك. أثناء تنظيف الأواني الزجاجية باستخدام الأسيتون، عثر على مادة تشبه الشبكة تتشكل في الجزء السفلي من الزجاج. أدى هذا إلى اكتشاف في استنساخ خيوط العنكبوت.

لقد تغلب هذا الاكتشاف العرضي على العديد من التحديات الهندسية التي واجهت عملية استنساخ خيوط العنكبوت. حيث يمكن لمحلول فيبرين الحرير أن يشكل ببطء مادة هلامية شبه صلبة على مدى عدة ساعات عند تعرضه لمذيبات عضوية مثل الإيثانول أو الأسيتون، ولكن وجود الدوبامين، الذي يستخدم في صنع المواد اللاصقة، سمح بحدوث عملية التصلب على الفور تقريبًا. وعندما تم خلط محلول المذيبات العضوية بسرعة، أنتج محلول الحرير بسرعة أليافًا ذات قوة شد التصاق عالية. يستخدم الدوبامين وبوليمراته نفس الكيمياء التي تستخدمها الرخويات البحرية لتشكيل ألياف تلتصق بقوة بالأسطح.

كيف يكشف الدوبامين والكيتوزان سر الحرير الاصطناعي؟

كان الكيتوزان (chitosan)، وهو مشتق من الهياكل الخارجية للحشرات، عنصرًا مهمًا آخر في تعزيز قوة الشد للألياف. ومن خلال الجمع بين الشيتوزان ومحلول ألياف الحرير والدوبامين، حقق الباحثون قوة شد أكبر بما يصل إلى 200 مرة من الألياف الأصلية. ترجع هذه الزيادة الملحوظة في القوة إلى التفاعلات الكهروستاتيكية بين جزيئات الكيتوزان موجبة الشحنة وجزيئات ألياف الحرير سالبة الشحنة.

وقد أدى محلول منظم البورات (borate buffer)، وهو مادة مضافة رئيسية أخرى، إلى زيادة التصاق الألياف بمقدار 18 ضعفًا. وقد سمح ذلك للألياف بالارتباط بقوة بالأسطح المختلفة، حتى تحت الماء. ويعد الجمع الدقيق بين هذه المكونات والظروف الدقيقة التي يتم فيها خلطها وقذفها من خلال الإبرة المحورية أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء الحرير الاصطناعي الرائع.

يمكن للجهاز إطلاق ألياف يمكنها التقاط أشياء يزيد وزنها عن 80 ضعف وزنها في ظل ظروف مختلفة. أثبت الباحثون ذلك من خلال التقاط شرنقة، ومسامير فولاذية، وأنبوب مختبري يطفو على الماء، ومشرط مدفون جزئيًا في الرمال، وكتلة خشبية من مسافة حوالي 12 سنتيمترًا.

لا يزال حرير العنكبوت الطبيعي أقوى بحوالي 1000 مرة من خيوط الرجل العنكبوت التي صنعها الإنسان في هذه الدراسة. ولكن مع إضافة القليل من الخيال والهندسة، سيستمر الابتكار في التحسن وتمهيد الطريق لمجموعة متنوعة من التطبيقات التكنولوجية.

التطبيقات المحتملة لخيوط الرجل العنكبوت

أحد مجالات التطبيق الواعدة هو مجال الطب. حيث يمكن استخدام الحرير الاصطناعي لإنشاء خيوط جراحية متوافقة حيوياً، أو ضمادات للجروح، أو حتى أجهزة قابلة للزرع تعزز نمو الأنسجة وإصلاحها. كما يمكن أن تتيح لزوجة الألياف تطوير مواد لاصقة طبية جديدة يمكنها الارتباط بالأنسجة، مما يقلل الحاجة إلى الغرز أو الدبابيس.

وبعيدًا عن الطب، يمكن استخدام الحرير الاصطناعي لإنتاج مواد فائقة القوة وخفيفة الوزن لمجموعة من الصناعات. تخيل مركبات عالية الأداء لهندسة الطيران، أو منسوجات متقدمة للملابس والمعدات الواقية. الاحتمالات لا حصر لها، ويمكن أن يكون لها تأثير كبير على حياتنا اليومية.

يتصور الباحثون في جامعة تافتس مستقبلًا يتم فيه استخدام الحرير الاصطناعي لإنشاء حلول مستدامة وصديقة للبيئة لمجموعة من الصناعات. على سبيل المثال، يمكن استخدام الألياف لإنشاء مواد تعبئة قابلة للتحلل، مما يقلل من النفايات البلاستيكية والتلوث. أو يمكن استخدامها لتطوير أنظمة متقدمة لتنقية المياه، وتوفير مياه الشرب النظيفة للمجتمعات في جميع أنحاء العالم.

مع استمرار تطور التكنولوجيا، يمكننا أن نتوقع أن نرى حرير العنكبوت الاصطناعي يستخدم بطرق لم يكن من الممكن تصورها من قبل. من الإنجازات الطبية إلى الابتكارات البيئية، فإن هذه المادة “المستوحاة من الأبطال الخارقين” مهيأة لإحداث تأثير في العالم الحقيقي.