*lemon*
کاربر فعال مهندسی نساجی
براساس مجموعه مقالات چاپ شده توسط آکادمي ملي علوم آمريکا ، پژوهشگران دانشگاه کاليفرنيا و ارتش ايالات متحده در مطالعه تار عنکبوت به پيشرفت هايي دست يافته اند . پروتئيني که عنکبوت را قادر مي سازد خود را آويزان کند و هم چنين به شکار طعمه کمک مي کند نظر دانشمندان را به خود جلب کرده است . ملکول هاي اين پروتئين بسيار کشسان و قوي هستند و به گونه اي طراحي شده اند که بتوان آن ها را کشيد . تار عنکبوت را مي توان تا سي الي پنجاه درصد طول اوليه اش بدون پاره شدن کشيد . اين ماده از فولاد محکم تر و از نظر استحکام با الياف کولار قابل مقايسه است .
برمبناي مجموعه مقالات چاپ شده ، شمار نوشتارهاي علمي درزمينه تارعنکبوت در دهه گذشته افزايش قابل توجهي داشته است . اين افزايش به علت ويژگي هاي مکانيکي شگفت انگيز تارعنکبوت است . علاقه به تارعنکبوت در حالي است که مواد زيستي و بيوميمتيک دوزمينه بسيار قابل توجه و روبه روشد درزمينه پژوهش هاي مواد است .
دليل توجه ارتش ايالات متحده به اين ماده استفاده از آن در ساخت جليقه هاي ضد گلوله و محافظ هاست . هدف عمده پژوهش هاي دانشگاه کاليفرنيا ، درک چگونگي چين خوردن اين پروتئين و سازماندهي رشته تار عنکبوت است . پژوهشگران با استفاده از روش ميکروسکوپ نيروي اتمي و يک کشنده مولکولي با تصويربرداري و کشش اين پروتئين به سرنخ هايي دست يافته اند . اين مشاهدات به پژوهشگران کمک مي کند تا آن چه را هنگام تشکيل تارعنکبوت در غده تراوش تارعنکبوت رخ مي دهد ، شبيه سازي کنند . آن ها دريافته اند که وقتي پروتئين باز مي شود به صورت تکه تکه است . درضمن اين پروتئين داراي پيوندهايي است که هنگام افزايش بار، باز شده و تغيير شکل مي دهند ، اين امر از الگويي پيروي مي کند که درديگر پروتئين هاي تحت بار کشف شده است . تارعنکبوت داراي بخش هاي کريستالي و بخش هاي شبه لاستيکي کشساني است . پژوهشگران دريافته اند که مولکولهاي منفرد داراي هردوبخش هستند .
خلق مواد برتر با تقليد از عنکبوت :
پژوهشگران دانشگاه کاليفرنيا در لس آنجلس ( UCLA ) براين باورند که با مطالعه توانمندي عنکبوت ها در تنيدن تار مي توان به راز توليد مواد قوي تر و بهتر پي برد . بنابراظهار نظر توماس هان ، استاد دانشگاه مکانيک و هوا فضا دانشگاه کاليفرنيا و فرانک کو استاد دانشگاه در کسل ، مهندسان مي توانند با تقليد از قدرت عنکبوت در تنيدن تار ، فرايند طراحي مواد را بهبود بخشند . به اين ترتيب آن ها مي توانند کارآيي محصولات گوناگوني را از راکت تنيس گرفته تا بمب افکن استليث بهبود بخشند . آزمايش هاي انجام شده توسط پرفسور کو نشان مي دهند که تار عنکبوت در برابر تغيير خواص ، فوق العاده مقاوم است و مي توان آن را در هوا يا زير آب تنيد .
الياف تار عنکبوت و ظرافت آن - قطري در حدود 02/0 ميکرون - برتري هاي فراواني دارند . ويژگي هاي ذاتي تارعنکبوت براي مهندسان که در حال طراحي مواد براي مشتريان و بازار صنعتي هستند ، بسيار جذاب است . پرفسور هان مي گويد : " به طور معمول مي توان موادي فوق العاده قوي ساخت ولي با اين کار چقرمگي کاهش مي يابد . هم چنين مي توان موادي با چقرمگي فوق العاده بالا ساخت ولي استحکام کاهش خواهد يافت . ترکيب اين دو ويژگي همان گونه که در تار عنکبوت مشاهده مي شود ، هدف ماست . "
پرفسور کوکه سال هاست عمر خود را صرف مطالعه الياف عنکبوت کرده است ، در ژانويه 2002 به دوست و همکار قديمي خود پرفسور هان در UCLA پيوست تا چند پروژه پژوهشي را رهبري کند . اين پروژه ها تحت تأثير ويژگي هاي چشمگير تار عنکبوت تعريف شده اند .
به عنوان مثال پرفسور هان ، يک پليمر را که با ذرات نانو متري تهيه شده توسط پرفسور ريچارد کانر در دانشکده شيمي دانشگاه کاليفرنيا تقويت مي کند تا بتواند يک نانو کامپوزيت قوي تر با کارآيي بهتر بسازد . پرفسور هان با يک پليمر پايه ( شبيه به ماده بيولوژيکي است که عنکبوت براي تنيدن تارش استفاده مي کند ) آغاز کرده و ذرات نانو متري با ويژگي هاي مشخص را به آن مي افزايد تا کامپوزيت هايي با کارآيي هاي گوناگون بسازد . پرفسور کو مي گويد : " يک عنکبوت قدرت فوق العاده اي در تغيير ويژگي هاي تارش براي کارهاي گوناگون دارد . اين همان چيزي است که ما به دنبال آن هستيم . "
پرفسور هان توانست با افزودن نانو صفحات گرافيتي ، ماده اي با خواص الکترو مغناطيسي بهتر از جمله رسانايي بالا تهيه کند . اين ويژگي در ساخت هواپيما بسيار مهم است . پرفسور هان مي گويد : " ديگر نبايد نگران امواج الکترو مغناطيس و بارهاي الکترو استاتيک که با عملکرد اجزاي الکترونيکي تداخل مي کنند باشيد . " او مي افزايد : " اگر رعد و برق به بال هواپيما که با مواد ضعيف ساخته شده است برخورد کند يک سوراخ بزرگ در آن ايجاد مي کند . " قابليت افزايش کارآيي يک کامپوزيت صنايع گوناگون را بهره مند مي سازد . پرفسور هان که مدت سي سال است با نيروي دريايي و نيروي هوايي آمريکا کار مي کند ، اشاره مي کند که محرکي قوي براي به کارگيري مواد با کارآيي بالا در صنايع هوا فضا وجود دارد . کاربردهاي فضايي ، ماهواره ها و هواپيماهاي استيلث همگي به دقت بالا ، کنترل حرارت ، کنترل سفتي ، پايداري و جذب رادار نياز دارند . "
اگرچه بکارگيري ذرات ميکروني در طراحي مواد مدت هاي زيادي است معمول است ، پرفسور هان ذرات نانو متري را براي افزايش کارآيي مواد به کار گرفته است . او مي گويد : " هنگام به کارگيري ذرات با اندازه ميکروني استحکام کاهش مي يابد ، در حالي که با استفاده از ذرات نانومتري ، کارآيي هايي هم چون ويژگي هاي الکترو مغناطيسي ماده افزايش مي يابند ، بدون اين که استحکام آن دچار کاستي شود . "
پرفسور کو مي گويد : " فن آوري نانو به ما اجازه مي دهد به آن چيزي که تأثير کوانتومي ناميده مي شود ، دست يابيم . " اين تأثير کوانتومي است که علت افزايش کارآيي به صورت فزاينده ، سريع تر شدن واکنش هاي شيميايي و حرکت الکترون ها و هدايت بهتر حرارت را توضيح مي دهد . در مقياس نانو ، به علت ريز بودن مواد و چسبندگي اتم ها ماده قوي تر مي شود .
در حالي که پرفسور هان آزمايشاتي براي افزايش کارآيي نانو کامپوزيت ها انجام مي دهد ، پرفسور کو روي الياف و نانو کامپوزيت هاي به شکل الياف کار مي کند . پرفسور کو معتقد است يک وجه مهم تارعنکبوت ، شکل رشته اي آن است . در حالي که يک عنکبوت قادر است دسته اي از تارهاي خود را بدون هيچ کوشش قابل ملاحظه اي توليد کند ، انسان بايد فرآيندهايي همانند ريسندگي الکترواستاتيک يا الکترو ريسندگي را براي توليد الياف در مقياس نانو به کار گيرد .
فرآيند الکترو ريسندگي ، قابليت ساخت اليافي با قطر کمتر از 100 نانو متر ، 1000 برابر نازک تر از موي انسان را داراست . براي ريسندگي يک پليمر مايع با دستگاهي شبيه به سوزن روي يک صفحه متصل به زمين ، از بار الکتريکي استفاده مي شود . اين الياف فوق العاده ظريف داراي خلل و فرج بسياري بوده و سطح ويژه بالايي دارند ، از نظر تجاري و علمي نانو الياف به شدت مورد توجه قرار گرفته اند .
به گفته پرفسور کو يکي از برتري هاي شکل رشته اي ، قابليت فرم دهي آن به شکل دلخواه است . يک ورق صلب را نمي توان به هر شکلي در آورد ، در حالي که الياف را مي توان به شکل هاي هندسي گوناگون شکل دهي کرد .
به دلايل مشابه ، پرفسور هان از ذرات نانو متري براي افزايش ويژگي هاي يک پليمر استفاده مي کند . پرفسور کو مي گويد : " نانو الياف به جهات مختلف از الياف ميکروني بهترند . نانو الياف سطح بيشتري براي کارکردن دارند . هنگامي که شما ماده اي با قطر بسيار کم در اختيار داريد ، سطح زيادي براي واکنش شيميايي در اختيار داريد . يعني وقتي ضخامت بسيار کم باشد ، با مقدار ماده مساوي ، قابليت واکنش ماده با ديگر مواد بهتر است . "
کاربردهاي بالقوه مواد ساخته شده با نانو ذرات ، طيف وسيع و شناخته شده اي دارند . اين کاربردها عبارتند از کامپيوترهاي همراه ، مخازن ذخيره انرژي هيدروژني و دارو رساني . حوزه الکتريک نيز تحت تأثير نانو ذرات قرار گرفته است . سيم ها و لوازم الکترونيک کوچک تر شده اند ولي به لحاظ قدرت و سرعت رشد يافته اند . سازندگان لوازم صنعتي نيز فن آوري نانو را براي ساخت لوازم ورزشي از جمله راکت تنيس به کار مي گيرند . پرفسور کو مي گويد : " ممکن است عنکبوت ها هنوز پاسخ هاي بيشتري براي مهندسان در زمينه ساخت مواد برتر و محصولات بهتر داشته باشند . " پرفسور کو ، تار عنکبوت را يکي از جذاب ترين مواد موجود در طبيعت مي داند . به گفته او مي توان از عنکبوت ها نکات بيشتري را فرا گرفت و هنوز رازهايي براي حل باقي مانده است .
برمبناي مجموعه مقالات چاپ شده ، شمار نوشتارهاي علمي درزمينه تارعنکبوت در دهه گذشته افزايش قابل توجهي داشته است . اين افزايش به علت ويژگي هاي مکانيکي شگفت انگيز تارعنکبوت است . علاقه به تارعنکبوت در حالي است که مواد زيستي و بيوميمتيک دوزمينه بسيار قابل توجه و روبه روشد درزمينه پژوهش هاي مواد است .
دليل توجه ارتش ايالات متحده به اين ماده استفاده از آن در ساخت جليقه هاي ضد گلوله و محافظ هاست . هدف عمده پژوهش هاي دانشگاه کاليفرنيا ، درک چگونگي چين خوردن اين پروتئين و سازماندهي رشته تار عنکبوت است . پژوهشگران با استفاده از روش ميکروسکوپ نيروي اتمي و يک کشنده مولکولي با تصويربرداري و کشش اين پروتئين به سرنخ هايي دست يافته اند . اين مشاهدات به پژوهشگران کمک مي کند تا آن چه را هنگام تشکيل تارعنکبوت در غده تراوش تارعنکبوت رخ مي دهد ، شبيه سازي کنند . آن ها دريافته اند که وقتي پروتئين باز مي شود به صورت تکه تکه است . درضمن اين پروتئين داراي پيوندهايي است که هنگام افزايش بار، باز شده و تغيير شکل مي دهند ، اين امر از الگويي پيروي مي کند که درديگر پروتئين هاي تحت بار کشف شده است . تارعنکبوت داراي بخش هاي کريستالي و بخش هاي شبه لاستيکي کشساني است . پژوهشگران دريافته اند که مولکولهاي منفرد داراي هردوبخش هستند .
خلق مواد برتر با تقليد از عنکبوت :
پژوهشگران دانشگاه کاليفرنيا در لس آنجلس ( UCLA ) براين باورند که با مطالعه توانمندي عنکبوت ها در تنيدن تار مي توان به راز توليد مواد قوي تر و بهتر پي برد . بنابراظهار نظر توماس هان ، استاد دانشگاه مکانيک و هوا فضا دانشگاه کاليفرنيا و فرانک کو استاد دانشگاه در کسل ، مهندسان مي توانند با تقليد از قدرت عنکبوت در تنيدن تار ، فرايند طراحي مواد را بهبود بخشند . به اين ترتيب آن ها مي توانند کارآيي محصولات گوناگوني را از راکت تنيس گرفته تا بمب افکن استليث بهبود بخشند . آزمايش هاي انجام شده توسط پرفسور کو نشان مي دهند که تار عنکبوت در برابر تغيير خواص ، فوق العاده مقاوم است و مي توان آن را در هوا يا زير آب تنيد .
الياف تار عنکبوت و ظرافت آن - قطري در حدود 02/0 ميکرون - برتري هاي فراواني دارند . ويژگي هاي ذاتي تارعنکبوت براي مهندسان که در حال طراحي مواد براي مشتريان و بازار صنعتي هستند ، بسيار جذاب است . پرفسور هان مي گويد : " به طور معمول مي توان موادي فوق العاده قوي ساخت ولي با اين کار چقرمگي کاهش مي يابد . هم چنين مي توان موادي با چقرمگي فوق العاده بالا ساخت ولي استحکام کاهش خواهد يافت . ترکيب اين دو ويژگي همان گونه که در تار عنکبوت مشاهده مي شود ، هدف ماست . "
پرفسور کوکه سال هاست عمر خود را صرف مطالعه الياف عنکبوت کرده است ، در ژانويه 2002 به دوست و همکار قديمي خود پرفسور هان در UCLA پيوست تا چند پروژه پژوهشي را رهبري کند . اين پروژه ها تحت تأثير ويژگي هاي چشمگير تار عنکبوت تعريف شده اند .
به عنوان مثال پرفسور هان ، يک پليمر را که با ذرات نانو متري تهيه شده توسط پرفسور ريچارد کانر در دانشکده شيمي دانشگاه کاليفرنيا تقويت مي کند تا بتواند يک نانو کامپوزيت قوي تر با کارآيي بهتر بسازد . پرفسور هان با يک پليمر پايه ( شبيه به ماده بيولوژيکي است که عنکبوت براي تنيدن تارش استفاده مي کند ) آغاز کرده و ذرات نانو متري با ويژگي هاي مشخص را به آن مي افزايد تا کامپوزيت هايي با کارآيي هاي گوناگون بسازد . پرفسور کو مي گويد : " يک عنکبوت قدرت فوق العاده اي در تغيير ويژگي هاي تارش براي کارهاي گوناگون دارد . اين همان چيزي است که ما به دنبال آن هستيم . "
پرفسور هان توانست با افزودن نانو صفحات گرافيتي ، ماده اي با خواص الکترو مغناطيسي بهتر از جمله رسانايي بالا تهيه کند . اين ويژگي در ساخت هواپيما بسيار مهم است . پرفسور هان مي گويد : " ديگر نبايد نگران امواج الکترو مغناطيس و بارهاي الکترو استاتيک که با عملکرد اجزاي الکترونيکي تداخل مي کنند باشيد . " او مي افزايد : " اگر رعد و برق به بال هواپيما که با مواد ضعيف ساخته شده است برخورد کند يک سوراخ بزرگ در آن ايجاد مي کند . " قابليت افزايش کارآيي يک کامپوزيت صنايع گوناگون را بهره مند مي سازد . پرفسور هان که مدت سي سال است با نيروي دريايي و نيروي هوايي آمريکا کار مي کند ، اشاره مي کند که محرکي قوي براي به کارگيري مواد با کارآيي بالا در صنايع هوا فضا وجود دارد . کاربردهاي فضايي ، ماهواره ها و هواپيماهاي استيلث همگي به دقت بالا ، کنترل حرارت ، کنترل سفتي ، پايداري و جذب رادار نياز دارند . "
اگرچه بکارگيري ذرات ميکروني در طراحي مواد مدت هاي زيادي است معمول است ، پرفسور هان ذرات نانو متري را براي افزايش کارآيي مواد به کار گرفته است . او مي گويد : " هنگام به کارگيري ذرات با اندازه ميکروني استحکام کاهش مي يابد ، در حالي که با استفاده از ذرات نانومتري ، کارآيي هايي هم چون ويژگي هاي الکترو مغناطيسي ماده افزايش مي يابند ، بدون اين که استحکام آن دچار کاستي شود . "
پرفسور کو مي گويد : " فن آوري نانو به ما اجازه مي دهد به آن چيزي که تأثير کوانتومي ناميده مي شود ، دست يابيم . " اين تأثير کوانتومي است که علت افزايش کارآيي به صورت فزاينده ، سريع تر شدن واکنش هاي شيميايي و حرکت الکترون ها و هدايت بهتر حرارت را توضيح مي دهد . در مقياس نانو ، به علت ريز بودن مواد و چسبندگي اتم ها ماده قوي تر مي شود .
در حالي که پرفسور هان آزمايشاتي براي افزايش کارآيي نانو کامپوزيت ها انجام مي دهد ، پرفسور کو روي الياف و نانو کامپوزيت هاي به شکل الياف کار مي کند . پرفسور کو معتقد است يک وجه مهم تارعنکبوت ، شکل رشته اي آن است . در حالي که يک عنکبوت قادر است دسته اي از تارهاي خود را بدون هيچ کوشش قابل ملاحظه اي توليد کند ، انسان بايد فرآيندهايي همانند ريسندگي الکترواستاتيک يا الکترو ريسندگي را براي توليد الياف در مقياس نانو به کار گيرد .
فرآيند الکترو ريسندگي ، قابليت ساخت اليافي با قطر کمتر از 100 نانو متر ، 1000 برابر نازک تر از موي انسان را داراست . براي ريسندگي يک پليمر مايع با دستگاهي شبيه به سوزن روي يک صفحه متصل به زمين ، از بار الکتريکي استفاده مي شود . اين الياف فوق العاده ظريف داراي خلل و فرج بسياري بوده و سطح ويژه بالايي دارند ، از نظر تجاري و علمي نانو الياف به شدت مورد توجه قرار گرفته اند .
به گفته پرفسور کو يکي از برتري هاي شکل رشته اي ، قابليت فرم دهي آن به شکل دلخواه است . يک ورق صلب را نمي توان به هر شکلي در آورد ، در حالي که الياف را مي توان به شکل هاي هندسي گوناگون شکل دهي کرد .
به دلايل مشابه ، پرفسور هان از ذرات نانو متري براي افزايش ويژگي هاي يک پليمر استفاده مي کند . پرفسور کو مي گويد : " نانو الياف به جهات مختلف از الياف ميکروني بهترند . نانو الياف سطح بيشتري براي کارکردن دارند . هنگامي که شما ماده اي با قطر بسيار کم در اختيار داريد ، سطح زيادي براي واکنش شيميايي در اختيار داريد . يعني وقتي ضخامت بسيار کم باشد ، با مقدار ماده مساوي ، قابليت واکنش ماده با ديگر مواد بهتر است . "
کاربردهاي بالقوه مواد ساخته شده با نانو ذرات ، طيف وسيع و شناخته شده اي دارند . اين کاربردها عبارتند از کامپيوترهاي همراه ، مخازن ذخيره انرژي هيدروژني و دارو رساني . حوزه الکتريک نيز تحت تأثير نانو ذرات قرار گرفته است . سيم ها و لوازم الکترونيک کوچک تر شده اند ولي به لحاظ قدرت و سرعت رشد يافته اند . سازندگان لوازم صنعتي نيز فن آوري نانو را براي ساخت لوازم ورزشي از جمله راکت تنيس به کار مي گيرند . پرفسور کو مي گويد : " ممکن است عنکبوت ها هنوز پاسخ هاي بيشتري براي مهندسان در زمينه ساخت مواد برتر و محصولات بهتر داشته باشند . " پرفسور کو ، تار عنکبوت را يکي از جذاب ترين مواد موجود در طبيعت مي داند . به گفته او مي توان از عنکبوت ها نکات بيشتري را فرا گرفت و هنوز رازهايي براي حل باقي مانده است .
