ما مدى قوة خيوط العنكبوت

[Mary Naeem]

ما مدى قوة خيوط العنكبوت




لابد أنك سمعت أن حرير العنكبوت أقوى من الفولاذ ، وكلنا نريد أن نصدق أن هناك مواد عجيبة في الطبيعة تفوق بكثير تلك التي من صنع الإنسان ، ولكن المشكلة في العبارات التي تبدو جيدة للغاية بحيث لا يمكن تصديقها هي أنها عادة ما تكون كذلك ، حيث أن الحرير العنكبوت ليس أقوى من الفولاذ ، ولكن هذا لا يجب أن يمنعنا من دراستها أو من التفكير فيها كمواد عجيبة .

هل خيوط العنكبوت أقوى من الفولاذ

في أحسن الأحوال قد يقارن حرير العنكبوت بالفولاذ عندما يتعلق الأمر بقوة الشد ، وهو أكبر ضغط يمكن أن تتحمله مادة ما قبل الكسر ، وبالنسبة لمجموعة متنوعة من حرير العنكبوت فإن قيمة قوة الشد أعلى بقليل من 1 جيجا باسكال ، وهي وحدة قياس القوة لكل وحدة مساحة ، وهذا يعادل قيمة متوسطة المدى للصلب حيث تتراوح نقاط القوة من 0.2 جيجا باسكال إلى ما يقرب من 2 جيجا باسكال .
قوة الشد هي خاصية حرجة واحدة فقط. تصلب الحرير ، وهو قدرته على التشوه بشكل مرن عند استخدام القوة ، وهو أقل بكثير من الفولاذ ، حيث يبدو أن حرير العنكبوت يتغلب على الفولاذ بهامش كبير هو كثافته ، والتي هي أقل ست مرات تقريبًا. على أساس الوزن ، ويبدأ الحرير في أن يبدو أكثر إثارة للاهتمام ، حيث تتجاوز نسبة القوة إلى الكثافة نسبة الفولاذ .
هناك العديد من التطبيقات التي تتطلب هذا المزيج من القوة والكثافة المنخفضة ، على سبيل المثال تم تصنيع طائرة 787 دريملاينر الجديدة إلى حد كبير من مواد مركبة ، حيث يتم الجمع بين العديد من المواد المختلفة لإعطاء التركيبة الصحيحة من الخصائص .

دراسة خيوط العنكبوت

سبب لدراسة حرير العنكبوت بشكل مخلص هو اهتمامنا بتقليد الطبيعة من خلال المحاكاة الحيوية ، والفرق الرئيسي بين المواد الطبيعية والمواد التي من صنع الإنسان لا يتعلق بالكثير من الخصائص الفيزيائية ولكن حول كيفية صنعها .

فك تشابك خيوط العنكبوت

الحرير العنكبوت هو بروتين وتتكون البروتينات داخل الخلايا الحية ، وهي عملية تحدث في درجة حرارة الجسم ، على عكس تصنيع الصلب الذي يحدث في الفرن ، وإن سحر حرير العنكبوت له كل علاقة بنقل المعلومات من خلال الحمض النووي ، وإن الهندسة البشرية بارعة في استخدام المزيد من الطاقة لحل المشكلات ، وتقوم الطبيعة بذلك من خلال استخدام معلومات أفضل .
شبكات العنكبوت مصنوعة من الحرير ، والحرير مصنوع من شيء يسميه العلماء البروتينات ، والبروتينات هي مواد كيميائية خاصة مصنوعة من كائن حي مثل حيوان أو نبات ، ولديك الكثير منها في جسمك. عادة ما يكون للبروتينات وظيفة معينة للقيام بها ، وينضم البعض معًا لجعل شيء أكبر ، ويتكون شعرك وأظافرك من البروتينات كلاهما مصنوع من بروتين يسمى الكيراتين .
كما تصنع البروتينات من عناصر وفيرة مثل الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين ، والناتج الثانوي الوحيد للتفاعل الذي يصنع البروتينات هو الماء ، لذلك يمكن أن تدعي المواد الطبيعية مثل حرير العنكبوت أنها صديقة للبيئة ، لأنها تستخدم طاقة أقل وعناصر وفيرة ، مما يجعل المعالجة متفوقة على معظم المواد الهندسية .
يعد الحرير العنكبوتي أقوى من الفولاذ على أساس الوزن بينما يكون صديقًا للبيئة ، وقد لا يحتوي هذا على نفس الحلقة البليغة مثل حرير العنكبوت أقوى من الفولاذ ، لكنه يروي قصة أكثر دراماتيكية حول لماذا تقليد المواد الطبيعية هو مجال سريع النمو لعلوم وهندسة المواد ، وما زلنا قادرين على الفهم الكامل لكيفية صنع حرير العنكبوت ، وأدت محاولة التسويق من خلال ماعز العنكبوت ، حيث أنتجت الماعز المعدلة وراثيًا حليبًا يحتوي على بروتين إضافي يمكن استخراجه وغزله في خيوط حرير العنكبوت إلى الإفلاس ، ولكن يبقى الأمل أنه من خلال دراسة كيفية إيصال الحرير العنكبوتي لقوته من خلال سلسلة من الجينات الموجودة في الحمض النووي للعنكبوت ، سيتمكن المهندسون يومًا ما من بناء الطائرات والأجهزة الأخرى عالية الأداء باستخدام مواد تجنيب الكوكب غنية بالمعلومات وقليلة الطاقة .

غدد الحرير عند العنكبوت

الحشرات والعناكب تصنع الحرير في جزء خاص من جسمها يسمى الغدة ، وتستخدم أرجلها لإخراجها من أجسامها ، وهذا ما يسمى الغزل ، وتحتوي معظم أنواع العنكبوت على أكثر من نوع واحد من غدة الحرير ، وكل واحد له قوة ومقاومة مختلفة ويستخدم لغرض معين مثل إطار الويب أو الخيوط اللزجة أو تغطية البيض ، وتعتمد قوة وتمدد الحرير على الطريقة التي يرتب بها جسم العنكبوت بروتينات الحرير .

تطور خيوط العنكبوت

تطورت العناكب لتدور شبكات حريرية قوية جدًا حتى تتمكن من التقاط الحشرات للأكل ، وهذا يعني أنه منذ زمن بعيد ، التقطت العناكب التي صنعت شبكات أقوى حشرات أكثر للأكل ولديها أطفال أكثر ، لكن العناكب التي جعلت الشبكات الضعيفة تمسك بحشرات أقل ولديها أطفال أقل .
بعد ملايين السنين من هذه العملية ، يصنع بعض العناكب اليوم حريرًا قويًا جدًا ، وعادة لا نلاحظ مدى قوتها لأنها رقيقة بشكل مثير للدهشة ، لكن أقوى الحرير مثل الحرير من العنكبوت الذهبي ، هو في الواقع أقوى من الفولاذ ، والأكثر إثارة للدهشة هو أنه خفيف مثل الضوء .
في الواقع حرير العنكبوت يشبه إلى حد ما تقاطع بين الفولاذ والمطاط ، حتى بمساعدة الآلات والمواد الكيميائية المعقدة ، لا يزال البشر لا يعرفون كيف يصنعون مادة بهذه القوة والمطاط والضوء ، ولكن العناكب لا تزال الأبطال في ذلك .

حقائق مذهلة عن الحرير

يعرف معظم الناس أن العناكب ودودة الحرير تصنع الحرير ، ولكن هل تعلم أن هناك أكثر من 20 مجموعة مختلفة من الحيوانات التي تصنع الحرير ، وتشمل الحيوانات التي تصنع الحرير الصراصير والأسماك الفضية والديدان المتوهجة والنمل والنحل والزنابير والذباب واليرقات والأشجار واليرقات .
بعض هذه المنتجات تصنع الحرير لحماية نفسها ، الصراصير على سبيل المثال تستخدم الحرير لخياطة الأوراق معًا لبناء عش ، ويستخدم البعض الآخر الحرير في التزاوج مثل ذباب الرقص ، حيث يُبهر الذكر الأنثى بهدية من الطعام ملفوفة بالحرير ، ويستخدم البعض الحرير للصيد ، مثل العناكب وحتى الديدان المتوهجة ، التي تستخدم الحرير اللزج لالتقاط الحيوانات الطائرة التي يرغبون في تناولها .

سبب قوة شبكات العنكبوت

اكتشف العلماء سبب قدرة شبكات العنكبوت على الصمود أمام قوى ضخمة دون أن تنكسر ، ولاكتشاف مدى قوة شبكات العنكبوت ، اختبر العلماء شبكات العنكبوت الحقيقية وأجروا عمليات محاكاة للكمبيوتر ، ووجدوا أن بعض شبكات العنكبوت يمكنها تحمل رياح الأعاصير ، على الرغم من أن الحرير قوي جدًا إلا أنه ليس العامل المهم الوحيد في قوته حيث تتميز شبكات العنكبوت بتصميم معقد للغاية .
تصبح شبكة العنكبوت أقوى عندما ينكسر الخيط خاصية مادية ذكية بشكل لا يصدق ، تخيل لو قمنا ببناء كائنات عندما تنقطع قليلاً تصبح الأشياء أقوى ، ويأمل العلماء أن يتم استخدام هذه النتائج للمساعدة في تصميم مواد جديدة فائقة القوة .
وجد العلماء أيضًا أن حرير العنكبوت يمكن أن يتفاعل بشكل مختلف مع أنواع مختلفة من القوى ، وإذا هبت رياح خفيفة على الويب ، فإن الحرير يلين ويصبح أكثر مرونة ، ويمكن لشبكة العنكبوت أن تهب في النسيم دون أن تنكسر ، وإذا تم تطبيق قوة أكبر على جزء واحد من الويب ، يصبح الحرير في ذلك الجزء من الويب متصلبًا ويتكسر خيط واحد أو خيطين