واقعی شدن تکنولوژی تاراندازی اسپایدرمن: دستگاه شلیک الیاف ابریشم که ۸۰ برابر وزن خود را بلند می‌کند
پژوهشگران دانشگاه تافتز با الهام از دنیای کمیک و طبیعت، تکنولوژی انقلابی در راستای شلیک تار ایجاد کرده‌اند.
این سیستم نوآورانه به یک ماده مایع اجازه می‌دهد از یک سوزن شلیک شود.
این ماده به شکلی سفت می‌شود که می‌تواند به اشیاء بچسبد و آنها را بلند کند، مشابه توانایی‌های تاراندازی اسپایدرمن.
علم پشت الیاف
الیاف چسبنده در آزمایشگاه ابریشم دانشگاه تافتز تولید می‌شوند، با استفاده از ابریشم حاصل از پیله‌های پروانه. این پیله‌ها در محلولی جوشانده و به پروتئین‌هایی به نام فیبروئین شکسته می‌شوند.
این محلول فیبروئین ابریشم می‌تواند از طریق سوزن‌های باریک به روشی خارج شود که وقتی با هوا تماس می‌یابد به الیاف تبدیل شود، به ویژه با افزودنی‌های مناسب.
طبیعت به عنوان منبع نهایی الهام برای استفاده از الیاف ابریشم در تارواره‌ها و پیله‌ها عمل می‌کند. موجودات مختلف، از جمله عنکبوت‌ها، مورچه‌ها، زنبورها، پروانه‌ها، پروانه‌ها، سوسک‌ها، و مگس‌ها می‌توانند در مراحل مختلف زندگی خود ابریشم تولید کنند.
آزمایشگاه ابریشم از فیبروئین ابریشم برای توسعه چسب‌های قوی که در زیر آب عمل می‌کنند، حسگرهای قابل چاپ برای سطوح مختلف، پوشش‌های خوراکی که مدت زمان ماندگاری غذاها را افزایش می‌دهند و مواد جمع‌آوری نور که می‌توانند کارایی سلول‌های خورشیدی را افزایش دهند، استفاده کرده‌اند. آنها حتی بر روی روش‌های تولید مایکروچیپ‌های پایدار کار کرده‌اند .
غلبه بر چالش‌های مهندسی
با وجود پیشرفت های آنها در مواد مبتنی بر ابریشم، محققان برای تکرار ظرافت ابریشم عنکبوت که دارای ویژگی های منحصر به فردی از مقاومت، انعطاف پذیری و چسبندگی است، با مشکل مواجه شدند. یک پیشرفت اتفاقی غیرمنتظره رخ داد.
مارکو لو پرستی گفت، “من در حال کار بر روی پروژه‌ای برای ساخت چسب‌های بسیار قوی با استفاده از فیبروئین ابریشم بودم و وقتی ظروف شیشه‌ای خود را با استون تمیز می‌کردم، متوجه شدم ماده‌ای مانند تار در پایین شیشه تشکیل می‌شود.”
این کشف تصادفی به چندین چالش مهندسی در تقلید از ابریشم عنکبوت پاسخ داد. راه‌حل‌های فیبروئین ابریشم معمولاً در اثر قرار گرفتن در معرض حلال‌های آلی مانند اتانول یا استون به صورت هیدروژل نیمه‌جامد تشکیل می‌دهند.
اما، افزودن دوپامین—که در تولید چسب استفاده می‌شود—اجازه داد تا جامد شدن فوراً انجام شود. هنگامی که به سرعت مخلوط شد، محلول ابریشم به سرعت الیاف با استحکام کششی و چسبندگی قابل توجه تولید کرد. دوپامین و پلیمرهای آن از همان فرآیند شیمیایی بارنکل‌ها برای ساخت الیافی استفاده می‌کنند که به شدت به سطوح می‌چسبند.
گام مهم بعدی چرخاندن الیاف در هوا بود. محققان دوپامین را به محلول فیبروئین ابریشم اضافه کردند که به نظر می‌رسید انتقال از مایع به جامد را با حذف آب از ابریشم سرعت می‌بخشد. وقتی محلول از سوزن هم‌محور شلیک شد، یک جريان نازک ابریشم توسط استون احاطه شد که باعث جامد شدن می‌شد.
استون در میان هوا تبخیر می‌شود و یک الیاف چسبنده باقی می‌گذارد که به هر چیزی که تماس پیدا می‌کند متصل می‌شود. با افزودن کیتوسان، از اسکلت خارجی حشرات، الیاف تا 200 برابر قوی‌تر شدند. یک بافر بورات نیز باعث شد آنها 18 برابر بهتر به سطح بچسبند.
کاربردهای عملی فناوری
قطر این الیاف می‌تواند از موی انسان تا حدود نیم میلی‌متر متغیر باشد، بسته به سوزن مورد استفاده. این دستگاه قادر است الیاف را شلیک کند که می‌تواند اشیاء را در شرایط مختلف تا بیش از 80 برابر وزن خود بلند کند.
محققان این قابلیت را با بلند کردن یک پیله، یک پیچ فولادی، یک لوله آزمایش شناور، یک اسکالپل نیمه مدفون در ماسه و یک بلوک چوبی از فاصله حدود 12 سانتی‌متر نشان دادند.
لو پرستی توضیح داد : “اگر به طبیعت نگاه کنید، متوجه خواهید شد که عنکبوت‌ها نمی‌توانند تار خود را شلیک کنند. آنها معمولاً ابریشم را از غدد خود می‌چرخانند، به صورت فیزیکی یک سطح را تماس می‌دهند و خطوط را برای ساختن تارهای خود بیرون می‌کشند. ما در حال نشان دادن راهی برای شلیک یک الیاف از یک دستگاه هستیم سپس چسبیده و یک جسم را از فاصله دور بلند کنیم. به جای معرفی این کار به عنوان یک ماده بیو الهام گرفته شده، واقعاً می‌توان گفت که از ابر قهرمانان الهام گرفته شده است.”
در حالی که ابریشم طبیعی عنکبوت تقریباً 1000 برابر قوی‌تر از این الیاف مصنوعی باقی می‌ماند، پتانسیل بهبود بسیار زیاد است. با خلاقیت و پیشرفت‌های مهندسی، این فناوری می‌تواند به کاربردهای مختلفی در حوزه‌های مانند رباتیک، پزشکی و مواد پایدار منجر شود.
در بیانیه مطبوعاتی، فیورنزو امنتو، پروفسور مهندسی فرانک سی. دابل در تافتز و مدیر آزمایشگاه ابریشم، بیان کرد، “به عنوان دانشمندان و مهندسان، ما مرز بین تخیل و عمل را هدایت می‌کنیم. در آنجا است که همه چیز جادویی اتفاق می‌افتد. می‌توانیم از طبیعت الهام بگیریم. می‌توانیم از کمیک‌ها و علمی-تخیلی‌ها الهام بگیریم. در این مورد، ما می‌خواستیم مواد ابریشمی خود را به نوعی مهندسی معکوس کنیم که همانطور که طبیعت در ابتدا طراحی کرده و نویسندگان کمیک تصور کرده‌اند، عمل کند.”
این مطالعه در مجله مواد عملکردی پیشرفته منتشر شد.
