ساخت ابریشم مصنوعی عنکبوت؛ قوی‌تر از نمونه واقعی
پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس (UCLA) بر این باورند که با مطالعه توانمندی عنکبوت‌ها در تنیدن تار می‌توان به راز تولید مواد قوی تر و بهتر پی برد. بنابراظهار‌نظر توماس هان؛ استاد دانشگاه مکانیک و هوا فضا دانشگاه کالیفرنیا و فرانک کو استاد دانشگاه در کسل، مهندسان می‌توانند با تقلید از قدرت عنکبوت در تنیدن تار، فرایند طراحی مواد را بهبود بخشند. به‌این‌ترتیب آن‌ها می‌توانند کارایی محصولات گوناگونی را از راکت تنیس گرفته تا بمب افکن استیلث بهبود بخشند. آزمایش‌های انجام شده توسط پروفسور کو نشان می‌دهند که تار عنکبوت در برابر تغییر خواص، فوق‌العاده مقاوم است و می‌توان آن را در هوا یا زیر آب تنید. الیاف تار عنکبوت و ظرافت آن (قطری در حدود ۰٫۰۲میکرون) برتری‌های فراوانی دارند. ویژگی‌های ذاتی تارعنکبوت برای مهندسان که در حال طراحی مواد برای مشتریان و بازار صنعتی هستند، بسیار‌جذاب است. پروفسور هان می‌گوید: «به‌طور معمول می‌توان موادی فوق‌العاده قوی ساخت ولی با این کار چقرمگی کاهش می‌یابد. چقرمگی مواد، میزان انرژی به ازای حجم واحدی‌ست که ماده می‌تواند قبل از شکستن جذب کند؛ همچنین به‌صورت مقاومت ماده در برابر شکست در صورت قرار‌گرفتن در معرض تنش نیز تعریف می‌شود؛ هم چنین می‌توان موادی با چقرمگی فوق‌العاده بالا ساخت ولی استحکام کاهش خواهد یافت. ترکیب این دو ویژگی همان گونه که در تار عنکبوت مشاهده می‌شود، هدف ماست. پروفسور کوکه سال‌هاست عمر خود را صرف مطالعه الیاف عنکبوت کرده‌است، در ژانویه ۲۰۰۲ به دوست و همکار قدیمی خود پروفسور هان در UCLA پیوست تا چند پروژه پژوهشی را رهبری کند. این پروژه‌ها تحت تأثیر ویژگی‌های چشمگیر تار عنکبوت تعریف شده‌اند. به‌عنوان‌مثال؛ پروفسور هان، یک پلیمر را که با ذرات نانومتری تهیه شده توسط پروفسور ریچارد کانر در دانشکده شیمی دانشگاه کالیفرنیا تقویت می‌کند تا بتواند یک نانو کامپوزیت قوی‌تر با کارایی بهتر بسازد. پروفسور هان با یک پلیمر پایه (شبیه به ماده بیولوژیکی است که عنکبوت برای تنیدن تارش استفاده می‌کند) آغاز کرده و ذرات نانومتری با ویژگی‌های مشخص را به آن می‌افزاید تا کامپوزیت‌هایی با کارایی‌های گوناگون بسازد. پروفسور کو می‌گوید: «یک عنکبوت قدرت فوق‌العاده‌ای در تغییر ویژگی‌های تارش برای کارهای گوناگون دارد. این همان چیزی‌ست که ما به‌دنبال آن هستیم. پروفسور هان توانست با افزودن نانو صفحات گرافیتی، ماده‌ای با خواص الکترو مغناطیسی بهتر از جمله رسانایی بالا تهیه کند. این ویژگی در ساخت هواپیما بسیار مهم است. اگرچه به‌کارگیری ذرات میکرونی در طراحی مواد مدت‌های زیادی‌ست معمول است». پروفسور هان ذرات نانومتری را برای افزایش کارایی مواد به‌کار گرفته‌است. او می‌گوید: «هنگام به‌کارگیری ذرات با اندازه میکرونی استحکام کاهش می‌یابد؛ در‌حالی‌که با استفاده از ذرات نانومتری، کارایی‌هایی هم چون ویژگی‌های الکترو مغناطیسی ماده افزایش می‌یابند، بدون این که استحکام آن دچار کاستی شود. فناوری نانو به ما اجازه می‌دهد به آن چیزی که تأثیر کوانتومی نامیده می‌شود، دست یابیم. این تأثیر کوانتومی است که علت افزایش کارایی به صورت فزاینده، سریع تر شدن واکنش‌های شیمیایی و حرکت الکترون‌ها و هدایت بهتر حرارت را توضیح می‌دهد. در مقیاس نانو، به‌علت ریز‌بودن مواد و چسبندگی اتم‌ها ماده قوی‌تر می‌شود». در‌حالی‌که پروفسور هان آزمایش‌هایی برای افزایش کارایی نانو کامپوزیت‌ها انجام می‌دهد، پروفسور کو روی الیاف و نانو کامپوزیت‌های به‌شکل الیاف کار می‌کند. پروفسور کو معتقد است یک وجه مهم تارعنکبوت، شکل رشته‌ای آن است. در‌حالی‌که یک عنکبوت قادر است دسته‌ای از تارهای خود را بدون هیچ کوشش قابل‌ملاحظه‌ای تولید کند، انسان باید فرایندهایی همانند ریسندگی الکترواستاتیک یا الکترو ریسندگی را برای تولید الیاف در مقیاس نانو به کار گیرد». به‌گفته پروفسور کو یکی از برتری‌های شکل رشته‌ای، قابلیت فرم‌دهی آن به شکل دلخواه است. یک ورق صلب را نمی‌توان به‌هر‌شکلی درآورد، در‌حالی‌که الیاف را می‌توان به شکل‌های هندسی گوناگون شکل‌دهی کرد. به‌دلایل مشابه، پروفسور هان از ذرات نانومتری برای افزایش ویژگی‌های یک پلیمر استفاده می‌کند. پروفسور کو می‌گوید: «نانو الیاف به جهات مختلف از الیاف میکرونی بهترند. نانو الیاف سطح بیشتری برای کار کردن دارند. هنگامی‌که شما ماده‌ای با قطر بسیار‌کم در اختیار دارید، سطح زیادی برای واکنش شیمیایی در اختیار دارید؛ یعنی وقتی ضخامت بسیار‌کم باشد، با مقدار ماده مساوی، قابلیت واکنش ماده با دیگر مواد بهتر است».