ابریشم چگونه به یک ماده فوقالعاده مقاوم تبدیل شد؟
ابریشم همیشه به مقاومت بالا شهرت داشته است. عنکبوتها از آن برای ساخت تارهایی استفاده میکنند که میتوانند در برابر باد شدید، حشرات پرنده مقاومت کنند.
کرمهای ابریشم نیز برای محافظت از خود درون پیلههای ابریشمی قرار میگیرند. انسانها هزاران سال پیش به دلیل سبک بودن، انعطافپذیری، دوام بالا از ابریشم برای تولید لباس استفاده کردند.
ترکیب الیاف ابریشم برای ساخت مادهای فوقمقاوم
اکنون پژوهشگران راهی پیدا کردهاند که ابریشم را به مادهای بسیار مقاومتر از پارچه تبدیل کنند.
در حقیقت، این ماده جدید میتواند با برخی کامپوزیتهای صنعتی پیشرفته رقابت کند، حتی از نظر مقاومت به کولار نزدیک شود.
این ماده همچنین در برابر ضربات بالستیک عملکردی بهتر از پلاستیکهای تقویتشده با فیبر کربن دارد. همین موضوع ابریشم را وارد دستهای کاملاً متفاوت از روسریها، لباسها کرده است.
این ماده جدید با استفاده از مواد شیمیایی مصنوعی پیچیده یا فرایندهای پرمصرف تولید نشده است.
در عوض، دانشمندان روشی سادهتر برای ترکیب الیاف طبیعی ابریشم پیدا کردند که بخش زیادی از استحکام اولیه آن حفظ میشود.
این پژوهش توسط محققانی از دانشگاه تافتس، کالج سلطنتی لندن، دانشگاه میشیگان انجام شده است.
محدودیت روشهای قدیمی پردازش ابریشم
مهندسان سالها تلاش کردهاند از ابریشم در پزشکی، الکترونیک استفاده کنند. پروتئینهای ابریشم زیستسازگار هستند، یعنی بدن انسان معمولاً آنها را بهخوبی تحمل میکند.
همین ویژگی ابریشم را برای ایمپلنتها، ترمیم بافتها، دستگاههای الکترونیکی انعطافپذیر جذاب کرده است.
اما یک مشکل اساسی وجود داشت. بیشتر روشهای مدرن، الیاف ابریشم را به پروتئین تبدیل میکردند، سپس دوباره آن را از نو میساختند.
این فرایند به مقدار زیادی آب، مواد شیمیایی، انرژی، زمان نیاز داشت. همچنین باعث ضعیف شدن ماده میشد.
چونمی لی، استادیار پژوهشی دانشکده مهندسی دانشگاه تافتس گفت:
«این فرایند ابتدا الیاف طبیعی را به پروتئینهای فیبروئین ابریشم تجزیه میکند، سپس آنها را به شکلهای جدید درمیآورد، در نتیجه بخش زیادی از استحکام ذاتی الیاف اولیه از بین میرود.»
او افزود:
«در این روش جدید دیگر نیازی به حل کردن ابریشم نیست. ما فقط الیاف را در یک جهت قرار میدهیم، سپس گرما، فشار اعمال میکنیم تا در یک مرحله به هم متصل شوند.»
همین تغییر ساده تفاوت بزرگی ایجاد کرد.
نقش گرما، فشار، چیدمان دقیق الیاف در تقویت ابریشم
این فرایند با استفاده از الیاف ابریشم تجاری استخراجشده از پیله شبپرهها آغاز میشود.
پژوهشگران ابتدا سریسین، یعنی پوشش چسبناک خارجی پیله را حذف میکنند. سپس الیاف با استفاده از گرما، فشار همراستا شده، فشرده میشوند.
درون الیاف ابریشم دو نوع ناحیه پروتئینی مختلف وجود دارد. یک بخش ساختاری منظم، بلوری دارد که مسئول استحکام ابریشم است. بخش دیگر انعطافپذیرتر، متحرکتر است.
پروفسور دیوید کاپلان، استاد مهندسی دانشگاه تافتس توضیح داد:
«ابریشم شبیه یک ماده کامپوزیتی است.»
«یک بخش متحرک، آمورف در پروتئینهای الیاف وجود دارد. بخشی دیگر از زنجیره پروتئینی به شکل صفحات منظم تا میشود که ساختارهای بلوری تشکیل میدهند.»
«این دو بخش در کنار هم استحکام، چقرمگی، انعطافپذیری ابریشم را ایجاد میکنند. اما همین بخش متحرک است که اجازه میدهد الیاف تحت گرما، فشار به هم جوش بخورند.»
پژوهشگران بازه ایدهآلی از دما بین ۱۲۵ تا ۲۱۵ درجه سانتیگراد، فشار بین ۱۹۰۰ تا ۹۸۰۰ اتمسفر پیدا کردند.
دمای پایینتر مواد سستتری ایجاد میکرد. گرمای بیش از حد نیز باعث شکننده شدن ابریشم میشد.
محصول نهایی بخش زیادی از ساختار مولکولی اصلی ابریشم را حفظ میکند، در عین حال الیاف را به مادهای جامد، متراکم تبدیل میکند.
ابریشم جدید؛ قویتر از چوب، استخوان
ابریشم ترکیبشده ساختاری لایهای دارد که تا حدی شبیه چوب است. در هر دو ماده، دستههای الیاف در یک جهت قرار گرفتهاند، تنش را در سراسر ساختار منتقل میکنند.
همین سازماندهی باعث افزایش چشمگیر استحکام شده است. پژوهشگران اعلام کردند ابریشم ترکیبشده از نظر مقاومت کششی عملکردی بهتر از چوب، استخوان دارد.
این ماده همچنین توانسته با برخی از قویترین پلاستیکها، کامپوزیتهای مهندسیشده امروزی رقابت کند. عملکرد آن در برابر ضربات بالستیک نیز قابل توجه بود.
کامپوزیتهای فیبر کربن به دلیل سبک بودن، استحکام بالا در هواپیماها، خودروهای مسابقهای، تجهیزات ورزشی استفاده میشوند. ماده ابریشمی جدید مقاومت ضربهای بالاتری از آنها نشان داد.
ترکیب استحکام بالا، وزن کم میتواند فرصتهای جدیدی برای صنایع ایجاد کند که به دنبال جایگزینهایی برای مواد مبتنی بر نفت هستند.
برخلاف بسیاری از کامپوزیتهای مصنوعی، ابریشم مادهای تجدیدپذیر، زیستتخریبپذیر است.
کاربرد ابریشم در شبکههای بیسیم آینده
این ماده رفتار نوری غیرمعمولی نیز از خود نشان داد.
دانشمندان دانشگاه میشیگان کشف کردند ابریشم ترکیبشده میتواند تابش تراهرتز را قطبیده کند. این امواج بین نور فروسرخ، مایکروویو قرار میگیرند.
امواج تراهرتز هماکنون در اسکنرهای فرودگاهی، برخی سیستمهای تصویربرداری پزشکی استفاده میشوند. پژوهشگران همچنین در حال بررسی کاربرد آنها در سیستمهای ارتباطی بیسیم آینده هستند.
تیم تحقیقاتی معتقد است ابریشم ترکیبشده میتواند در فناوری 6G نقش داشته باشد؛ فناوریای که انتظار میرود انتقال داده را بسیار سریعتر از شبکههای 5G امروزی انجام دهد.
قطبش امواج همچنین میتواند امکان انتقال اطلاعات بیشتری را در سیگنالهای بیسیم فراهم کند؛ قابلیتی که کمتر کسی از ابریشم انتظار دارد.
مادهای سازگار با بدن انسان
پژوهشگران همچنین رفتار ابریشم ترکیبشده را هنگام کاشت در بدن حیوانات آزمایش کردند.
این ماده فقط واکنش ایمنی خفیفی ایجاد کرد، این واکنشها نیز به مرور زمان کاهش یافتند.
رفتار این ماده بسته به میزان فشردگی الیاف قابل تنظیم است.
نسخههای کمتراکم اجازه میدهند سلولها وارد ماده شوند، بهآرامی آن را تجزیه کنند. نسخههای متراکمتر مدت طولانیتری پایدار باقی میمانند.
لی گفت:
«ما میتوانیم سرعت تجزیه ماده را بسته به شرایط فرایند کنترل کنیم.»
کاربردهای پزشکی ابریشم فوقمقاوم
انعطافپذیری این ماده میتواند آن را در پزشکی بسیار ارزشمند کند. موادی که بهصورت موقت استفاده میشوند، سپس بهآرامی از بین میروند، در ترمیم بافتها، پزشکی بازساختی اهمیت بالایی دارند.
نسخههای بادوامتر نیز میتوانند برای پشتیبانی از استخوانها، مفاصل آسیبدیده استفاده شوند.
لی توضیح داد:
«به دلیل استحکام بالا، این ماده میتواند برای ساخت تجهیزات تثبیتکننده مانند صفحات، پینها، پیچهای مخصوص شکستگی استخوان استفاده شود.»
ابریشم هزاران سال بهعنوان یکی از کاربردیترین مواد طبیعی شناخته شده است. این نسخه جدید شاید آیندهای کاملاً متفاوت برای آن رقم بزند.
نتایج کامل این پژوهش در نشریه Nature Sustainability منتشر شده است.
جمعبندی
ابریشم فوقمقاوم جدید میتواند جایگزینی سبک، زیستتخریبپذیر، بسیار مقاوم برای مواد صنعتی مدرن باشد و کاربردهای گستردهای در پزشکی، فناوری، ارتباطات آینده داشته باشد.
نظر شما درباره استفاده از ابریشم در فناوریهای آینده چیست؟ دیدگاهتان را با ما به اشتراک بگذارید.
