لماذا يعتبر حرير العنكبوت أقوى من الفولاذ على الرغم من كونه هشًا للغاية؟

[إعلان 1]

من المعروف منذ فترة طويلة أن حرير العنكبوت هو المادة الطبيعية الأكثر متانة على الإطلاق. هناك أيضًا أنواع من العناكب التي تنتج حريرًا أقوى بخمس مرات من الفولاذ، مثل العنكبوت البني Loxosceles reclusa. ولكن علينا أيضًا أن نتساءل لماذا يبدو حرير العنكبوت هشًا للغاية ولكنه يتمتع بهذه القوة العظيمة. وهذا أيضًا سؤال يسبب صداعًا للعلماء، وقد وجدوا الإجابة مؤخرًا.

حرير العنكبوت قوي جدًا، حتى أنه أقوى من الأسلاك الفولاذية.

حرير العنكبوت له بنية فريدة من نوعها

حرير العنكبوت هو عبارة عن ألياف بروتينية تنتجها وتغزلها العناكب. يستخدمون الحرير لصنع شبكات لصيد الفرائس أو لحماية بيضهم وصغار العناكب. إن البنية القوية لهذه الخيوط الحريرية تمكن العناكب من اصطياد فرائس أكبر منها حجماً بعدة مرات.

في الآونة الأخيرة، استخدم باحثون في كلية العلوم التطبيقية، بجامعة ويليام وماري (الولايات المتحدة الأمريكية)، مجهر القوة الذرية لمراقبة البنية الدقيقة لألياف الحرير التي تنتجها العناكب البنية الناسكة لحماية البيض واصطياد الفرائس. اكتشف الباحثون أن كل خيط من خيوط الحرير العنكبوتي، والذي يكون أرق من شعرة الإنسان، يتكون في الواقع من آلاف من الألياف النانوية المختلفة، ويبلغ قطرها 20 نانومترًا فقط وطولها حوالي 1 ميكرومتر.

قد لا تبدو هذه الألياف النانوية طويلة، ولكنها قادرة على التمدد إلى أكثر من 50 ضعف حجمها الأصلي. هذا الهيكل هو الذي يجعل حرير العنكبوت قويًا ومتينًا للغاية، حيث تبلغ قوته ومتانته ما يصل إلى 5 مرات أكبر من قضيب فولاذي من نفس الحجم.

يمكن لخيوط العنكبوت أن تمتد إلى ما يصل إلى 50 مرة من حجمها الأصلي.

في السابق، ادعى العلماء في جميع أنحاء العالم أن حرير العنكبوت مصنوع من ألياف نانوية، ولكن لم يكن هناك دليل قاطع حتى تم نشر هذا الاكتشاف في المجلة العلمية ACS Macro Letters (الولايات المتحدة).

والسبب هو أن حرير العنكبوت البني يتكون من ألياف نانوية مرتبة في نمط مسطح، وليس في نمط أسطواني مثل معظم العناكب الأخرى. وهذا يجعل من السهل على العلماء مراقبتها باستخدام المجاهر الذرية.

وتضاف هذه النتيجة إلى الأبحاث التي أجراها الفريق في عام 2017، والتي توضح كيف تعمل العناكب البنية على تقوية خيوط الحرير الخاصة بها باستخدام تقنية حلقات خاصة. يشبه العنكبوت البني الناسك ماكينة خياطة صغيرة، حيث ينسج حوالي 20 خيطًا نانويًا لكل مليمتر من الحرير الذي يغزله لتقوية الخيط ومنعه من الانكسار.

يتم "التضحية" بخيط حرير العنكبوت للحفاظ على الهيكل العام.

قام العديد من خبراء الميكانيكا الجزيئية بفحص شبكات أنواع مختلفة من العناكب بما في ذلك عنكبوت الحديقة الأوروبي Araneus diadematus وعنكبوت نسج الشبكات Nephila clavipes. ومن خلال دراسة الحرير على المستوى الجزيئي، وجدوا أنهم قادرون على تفسير قوة شبكات العنكبوت.

يوضح الدكتور بوهلر أنه من الممكن "التضحية" بخيوط فردية للحفاظ على البنية العامة. "عندما يتم سحب خيط الحرير، فإن بنيته الجزيئية تتمدد مع زيادة القوة، مما يؤدي إلى تمدد الخيط"، كما قال.

لا ينكسر حرير العنكبوت إلا عندما يرغب في الحفاظ على بنيته العامة.

ويحدث هذا التغيير في أربع مراحل: في المرحلة الأولى يتم شد خيط الحرير بأكمله؛ ويتبع ذلك مرحلة استرخاء حيث تتكشف البروتينات. في المرحلة الثالثة، يمر الحرير بمرحلة صلبة تمتص أكبر قدر من قوة التأثير. يشبه بوهلر المرحلة الأخيرة قبل أن ينكسر خيط الحرير بتمزيق قطعة من الشريط، الأمر الذي يتطلب أيضًا قوة كبيرة لكسر الخيط لأن البروتينات متماسكة معًا بواسطة روابط هيدروجينية لزجة.

وقال الدكتور بوهلر: "إن قوة شبكة العنكبوت لا ترجع فقط إلى قوة خيط الحرير، بل أيضًا إلى كيفية تغير خصائصها الميكانيكية عند سحبها".

تويت آنه (المصدر: التوليف)

مفيد
العاطفة
مبدع
فريد
الغضب