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

[إعلان 1]

لطالما عُرف حرير العنكبوت بأنه المادة الطبيعية الأكثر متانة على الإطلاق. حتى أن هناك أنواعًا من العناكب تُنتج حريرًا أقوى بخمس مرات من الفولاذ، مثل عنكبوت الراكلوسا البني. ولكن لا بد من التساؤل أيضًا: لماذا يبدو حرير العنكبوت هشًا للغاية مع متانته المذهلة؟ هذا سؤال حيّر العلماء ، ولم يجدوا إجابته إلا مؤخرًا.

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

حرير العنكبوت له بنية فريدة من نوعها

حرير العنكبوت هو ألياف بروتينية تنتجها العناكب وتغزلها. تستخدمه لبناء شبكاتها لاصطياد فرائسها أو لحماية بيضها وصغارها. بفضل بنيته القوية، يتمكّن العناكب من اصطياد فرائس تفوق حجمها بكثير.

مؤخرًا، استخدم باحثون في كلية العلوم التطبيقية بكلية ويليام وماري مجهر القوة الذرية لرصد البنية المجهرية لألياف الحرير التي تُنتجها عناكب الناسك البني لحماية بيضها واصطياد فرائسها. واكتشفوا أن كل خيط من خيوط حرير العنكبوت، وهو أرق من شعرة الإنسان، يتكون في الواقع من آلاف الألياف النانوية المختلفة، بقطر 20 نانومترًا فقط وطول حوالي ميكرومتر واحد.

قد لا تبدو هذه الألياف النانوية طويلة، لكنها قادرة على التمدد لأكثر من خمسين ضعف حجمها الأصلي. هذا الهيكل يجعل حرير العنكبوت متينًا وقويًا للغاية، بقوة ومتانة تفوقان قضيبًا فولاذيًا من نفس الحجم بخمس مرات.

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).

يعود ذلك إلى أن حرير العنكبوت البني الناسك يتكون من ألياف نانوية مرتبة في صفائح مسطحة بدلاً من أسطوانات كما هو الحال في معظم العناكب الأخرى. وهذا يُسهّل على العلماء رصدها باستخدام مجهر القوة الذرية.

تُضاف هذه النتيجة إلى البحث الذي أجراه الفريق عام ٢٠١٧، والذي يُظهر كيف تُقوّي عناكب الناسك البني حريرها باستخدام تقنية نسج خاصة. كآلة خياطة صغيرة، تنسج عناكب الناسك البني حوالي ٢٠ نانوليفًا لكل مليمتر من الحرير الذي تغزله، مما يُقوّي الحرير ويمنعه من التمزق.

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

قام خبراء الميكانيكا الجزيئية بفحص شبكات أنواع مختلفة من العناكب، بما في ذلك عنكبوت الحدائق الأوروبي (Araneus diadematus) وعنكبوت نسج الشبكات (Nephila clavipes). ومن خلال دراسة الحرير على المستوى الجزيئي، وجدوا أنه يمكنهم تفسير قوة شبكات العنكبوت.

يوضح الدكتور بوهلر أنه يمكن "التضحية" بألياف الحرير الفردية للحفاظ على بنيتها الكلية. ويقول: "عند شد ليف حريري، يتمدد بنيته الجزيئية مع ازدياد القوة، مما يؤدي إلى تمدده".

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

يحدث هذا التغيير على أربع مراحل: في المرحلة الأولى، يتمدد الخيط بأكمله؛ ثم تأتي مرحلة الاسترخاء حيث تنفتح البروتينات. في المرحلة الثالثة، يمر الخيط بمرحلة تصلب تمتص أكبر قدر من القوة. شبّه بوهلر المرحلة الأخيرة قبل انكسار الخيط بتمزيق شريط لاصق؛ إذ يتطلب كسر الخيط قوة كبيرة لأن البروتينات متماسكة بروابط 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