قد تتمكن النوى العنكبوتية الاصطناعية من بناء الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر

وسبق للباحثين أن نجحوا في نسج ألياف رقيقة مثل شبكات العنكبوت. في الآونة الأخيرة، حقق باحثان من التخنيون اختراقًا: فقد تمكنا من نسج مثل هذه الألياف، وهي أيضًا قوية جدًا، ونسجها. والتطبيقات الممكنة كثيرة ومتنوعة: أجهزة كشف حساسة للمواد الكيميائية الخطرة، وأشرعة فضائية ضخمة، والمزيد

بواسطة: يوفال درور

العنكبوت حيوان غريب . يلتقط فريسته باستخدام شبكة الإنترنت. والألياف التي ينسجها العنكبوت رقيقة وقوية ويحاول العلماء منذ سنوات طويلة تقليد هذه القدرة لدى العنكبوت. بدأ البروفيسور إيال سوسمان وزميله البروفيسور ألكسندر يارين منذ خمس سنوات في الانخراط في التكنولوجيا، مما يجعل من الممكن إنتاج شبكات عنكبوت صناعية صغيرة. يوضح سوسمان: "لقد أثار اهتمامنا التعامل مع العناصر النانومترية". ومنذ ذلك الحين، نجح الاثنان في تطوير شبكات عنكبوتية صناعية يمكن استخدامها ككاشفات بيولوجية حساسة، كأشرعة فضائية ضخمة، وكموصلات صغيرة لرقائق الكمبيوتر. وحتى الآن، لم تتحقق الإمكانات التجارية.

يقول سوسمان: "ليس لدينا وقت فراغ للاتصال بالشركات التجارية"، لكنه يضيف أنهم على اتصال بالعديد من الشركات على أمل أن يتم دمج التطوير في منتج تجاري.

سوسمان وفيرين، أستاذا الهندسة الميكانيكية من التخنيون، يعملان في مجال تكنولوجيا النانو. تعتبر رتب الحجم في هذا المجال مربكة لأنها صغيرة جدًا. النانومتر يساوي واحد على مليار من المتر. وللمقارنة، يبلغ قطر شعرة الإنسان حوالي 40 ميكرون، أي حوالي 40 جزءًا من المليون من المتر. وفي منتصف التسعينيات أمر الرئيس بيل كلينتون بتحويل مئات الملايين من الدولارات للبحث في مجال تكنولوجيا النانو، وأحدث طفرة هائلة في هذا المجال. وفي إسرائيل أيضًا، تم إنشاء العديد من المراكز التي تقوم بأبحاث المواد والعمليات على مستوى النانومتر. ومع ذلك، وعلى عكس المراكز الموجودة في الولايات المتحدة، لم يتم إنشاء أي منها بمساعدة حكومية.

في السنوات الأخيرة، بدأت عدة مجموعات حول العالم في تطوير شبكات العنكبوت تحت ظروف معملية. والسبب في ذلك يكمن في الخصائص الخاصة لشبكات العنكبوت: فهي رقيقة ولكنها قوية. وبينما تستخدم العناكب سائلًا شفافًا وسميكًا ولزجًا يتكون من بروتينات مختلفة لإنتاج شبكات الحرير الرقيقة، يستخدم سوسمان وفيرين محلول بوليمر - وهي مادة كيميائية تتكون من جزيئات كبيرة.

يحتوي محلول البوليمر على خاصيتين مهمتين: فهو لزج ومرن. لذلك، عندما يتم تمديدها، يتم تشكيل الألياف. بحث الاثنان عن طريقة متطورة لتصنيع الألياف واختارا تقنية الغزل الإلكتروني. تم اختراع هذه الطريقة في ثلاثينيات القرن العشرين، لكنها لم تجد تطبيقات كثيرة. ويوضح البروفيسور يارين أنه تم الآن العثور على التطبيق المناسب لذلك.

وهذه هي الطريقة التي تعمل بها: يتم إدخال محلول البوليمر في حقنة بداخلها قطب كهربائي. تقوم المحقنة بدفع المحلول ببطء شديد حتى تتشكل قطرة نصف كروية عند طرفها. من لحظة زيادة الجهد داخل المحقنة إلى عشرات الكيلوفولت، يتم شحن محلول البوليمر بشحنة كهربائية. القوى الكهربائية المؤثرة على القطرة تسحبها إلى الأسفل حتى تمتد إلى مخروط. ومن هذا المخروط يخرج ألياف رفيعة تتراكم على سطح تحت المحقنة. ويتراوح قطر الألياف من عدة عشرات من النانومترات إلى ميكرون واحد، اعتمادًا على نوع البوليمر المستخدم. يتم جمع الألياف بشكل عشوائي ولا يتم نسجها.

هذه هي الطريقة التي سيتم بها تحسين الطائرة بدون طيار

وحتى الآن لا يوجد أي جديد في تطور الاثنين. تعرف أماكن أخرى أيضًا كيفية إنتاج مثل هذه الألياف. لكن في الآونة الأخيرة اتخذ الاثنان خطوة مهمة إلى الأمام. الألياف التي تتراكم في الجزء السفلي من المحقنة تكون في مجال إلكتروستاتيكي قوي. قام الاثنان ببناء نوع من العدسات التي تعمل بمثابة مانع للصواعق، أو بالأحرى - مانعة للألياف. يتم سحب الألياف إلى العدسة، والتي تكون قادرة على نسجها بأي طريقة تختارها: كحبل، واثنين وثلاثة وأكثر.

يقول البروفيسور سوسمان: "كان هذا إنجازنا". "في معظم التطورات التي سبقتنا، عرفوا كيفية إنتاج كتلة من الألياف، والتي استخدموها كمرشح. لقد تمكنا من نسج الألياف بطريقة منهجية وبالتالي خلق بنية من الألياف وليس كتلة بلا شكل." السبب في أن التطبيق المطلوب للألياف النانومترية غير المرتبة هو مرشح يكمن في خصائص "الكتلة" التي يتم الحصول عليها. فهي من ناحية صغيرة الحجم، ومن ناحية أخرى، تبلغ مساحة سطحها عدة آلاف من المرات أكبر من مساحة السطح المرئية. والنتيجة هي مرشح حساس، قادر على تصفية الغبار أو المواد البيولوجية.

وحقيقة أن الاثنين طورا طريقة لإخبار الألياف بكيفية ترتيب نفسها في الفضاء، فتحت لهما عالمًا كاملاً من التطبيقات. ومن خلال العمل مع البروفيسور دانييل فايس من التخنيون، قام الاثنان بإنشاء حصيرة هوائية صغيرة، وهي نوع من المظلة تعتمد على ورقة من شبكات العنكبوت النانومترية. ويبلغ قطر كل مظلة صغيرة حوالي سنتيمتر واحد. تم تحضير الألياف بطريقة تحتوي على مكون حساس لبعض المواد البيولوجية. وعندما يواجهون هذه المادة يتغير لونهم.

يؤكد سوسمان: "هذا ليس فضولاً". وأضاف أن "هذا التطور يمكن أن يسمح للقوات العسكرية بتفريق العشرات أو المئات من هذه المظلات من الجو، والتي ستراقب وجود مواد بيولوجية أو كيميائية في منطقة معينة". إذا واجهت الألياف مادة ما، فإنها تغير لونها أو تنقل نوعًا ما من أجهزة الإرسال إلى القوى التي تقف وراءها." تطبيق عسكري آخر هو حماية الجنود من خلال طلاء زيهم بمادة ليفية رقيقة. ستسمح الألياف للجنود بالتمييز بسرعة إذا صادفوا مادة كيميائية أو بيولوجية خطيرة، بل وحتى إيقاف وتحييد التلوث البيولوجي أو الكيميائي.

هناك تطور آخر له آثار أمنية يتعلق بقوة الألياف الناتجة. "تتراوح القوة التي يجب استثمارها في تمزيق شبكات العنكبوت الحقيقية من 1 إلى 10 جرامات لكل ألياف (اعتمادًا على نوع العنكبوت الذي ينسج الشبكات)." في الألياف التي أنتجناها حتى الآن، ما عليك سوى استثمار 0.1 جرام لتمزيقها. وهذا يعني أننا لم نقترب بعد من قوة شبكات العنكبوت الحقيقية"، كما يقول سوسمان. ولتقوية الألياف، تعاون الاثنان مع البروفيسور ياشين كوهين من كلية الهندسة الكيميائية في التخنيون. وتمكنوا معًا من تطوير آلية تقوم بإدخال أنابيب الكربون داخل ألياف البوليمر، مما يؤدي إلى تقوية الألياف بشكل كبير. خيوط أنابيب الكربون ليست معقدة. كل ما هو مطلوب هو إدخالها في محلول البوليمر. أثناء دفع السائل عبر المحقنة، يتم حقن القنيات في الألياف الدقيقة.

يوضح سوسمان: "ستجعل الألياف الأقوى من الممكن بناء طائرات بدون طيار (طائرات صغيرة بدون طيار) أخف وزنًا ولكن بنفس القوة". "سيسمح هذا المزيج للطائرة بدون طيار بتوفير الوقود وبالتالي تكون قادرة على البقاء في الهواء لفترة أطول." في الواقع، يتم تمويل المشاريع ذات الإمكانات العسكرية المميزة جزئيًا من قبل المؤسسة الأمنية. وفي الأسبوع المقبل، سيصل أيضًا ممثلون عن الجيش الأمريكي إلى التخنيون لفحص تطوير سوسمان فيرين.

هذه هي الطريقة التي يتم بها قيادة المركبة الفضائية

يقول سوسمان: "لدينا التكنولوجيا، ولدينا طريقة لنسج الألياف، والآن علينا فقط العثور على التطبيقات المناسبة". وفي الواقع، ينشغل الاثنان هذه الأيام، مع مجموعة من طلاب الدكتوراه، بتجربة بوليمرات مختلفة، بعضها يتمتع بالتوصيل الكهربائي، محاولين معرفة ما يمكن أن يخرجا منها.

ومؤخرًا، بدأ الاثنان العمل مع البروفيسور عوديد جوردان من كلية الزراعة في الجامعة العبرية في القدس، بهدف تجربة ألياف البوليمر المنتجة في وجود مواد مبيدة للفطريات. يمكن طلاء أي ركيزة تقريبًا بهذه الألياف. على سبيل المثال، يمكن استخدام هذه الألياف كوسيلة للحماية ضد فطريات العفن التي تلحق الضرر بالمنتجات الزراعية أثناء التخزين. يمكن أيضًا دمج الفكرة في الاستخدامات الطبية، خاصة في استخدام الضمادات المركبة بالألياف كوسيلة أخرى لتقليل فرصة الإصابة بالعدوى من عوامل مثل البكتيريا أو الفطريات.

في مجال يتمتع فيه تطوير الألياف الاصطناعية بإمكانيات تجارية هائلة، هناك شركات قادرة على دعم تسويق هذا التطوير. هذه ألياف نانومترية يمكن استخدامها كموصلات. تحتوي كل لوحة إلكترونية على أسلاك نحاسية صغيرة تقوم بتوصيل التيار الكهربائي من مكون إلى آخر. هذه أسلاك يبلغ حجمها عدة مئات من النانومترات. لكن صناعة الإلكترونيات تقترب من الحد الذي لن يكون من الممكن فيه تقليل سمك السلك بالطرق الحالية. "تنتج الشركة المصنعة للمعالجات "إنتل" حاليًا معالجات بأسلاك يبلغ سمكها 130 نانومتر (أو 0.13 ميكرون)." يقول سوسمان: "في مختبرنا، وبطرق بسيطة وبمساعدة التكنولوجيا الأساسية، تمكنا من إنتاج ألياف بوليمر ذات خصائص التوصيل الكهربائي، والتي يبلغ سمكها 10 نانومتر فقط وطولها مئات الميكرونات".

ووفقا له، باستخدام المجالات الكهروستاتيكية، تمكنوا من توجيه الألياف بحيث يتم وضعها بطريقة تتشكل دائرة كهربائية. "إذا كانت "أساليب الجدات" قادرة على إنتاج مثل هذه الألياف الصغيرة التي توصل الكهرباء، فتخيل ما يمكن أن تفعله "إنتل" بهذه التكنولوجيا. يقول سوسمان: "في الواقع، تفتح هذه القدرة مجالًا جديدًا يُعرف باسم الإلكترونيات النانوية". فإذا قررت شركة مثل "إنتل" أو "المواد التطبيقية" (Applied Materials)، والتي تعتبر أكبر شركة مصنعة في العالم لآلات طباعة الدوائر الإلكترونية، إمكانية استخدام تقنية سوسمان وفيرين تجارياً، فقد تكون أساس كل شيء. الدوائر الإلكترونية في العقد المقبل.

أفكار الاثنين لا تنتهي هنا أيضًا. ووفقا لهم، فإن التطبيق الآخر المحتمل لشبكاتهم العنكبوتية سيكون في الفضاء. لفترة طويلة، تم دراسة إمكانية بناء مركبة فضائية مجهزة بشراع شمسي. إن "الرياح" التي ستقود المركبة الفضائية ستكون في الواقع الطاقة الناتجة عن تأثير الفوتونات على الشراع. وبحسب التصميم، ستعرف المركبة الفضائية كيفية تحريك الشراع بالنسبة للشمس حتى لا ينضب مصدر الطاقة الذي يحركها.

لكن، وراء المشاكل النظرية، التي لم يتم توضيحها بعمق بعد، هناك مشكلة عملية: كيف يمكنك تحريك شراع فضائي، يجب أن تبلغ مساحته عدة مئات من الأمتار المربعة حتى تتمكن طاقة الفوتونات من تحريكه، إلى الفضاء . يقول سوسمان: "إن فكرتنا ليست تحريك الشراع إلى الفضاء، بل نسجه في الفضاء". "كل ما يجب فعله هو نقل المواد الخام وآلات الإنتاج ومن ثم البدء وإنتاج الشراع في المساحة بالحجم والشكل المطلوب." ويقول سوسمان إنهم يعتزمون محاولة اقتراح هذه الفكرة على موظفي ناسا في المستقبل القريب.

أسرار العنكبوت: اكتشف العلماء كيفية صنع الشبكات

شبكة العنكبوت أقوى من الفولاذ ومرنة مثل المطاط * الاكتشاف سيسمح بتطوير سترات واقية تناسب الجسم

31.8.2003

بواسطة: اليكس دورون

يستخدم البشر دودة القز منذ أكثر من 2,000 عام، دون أن يفهموا كيفية صنع ألياف الحرير نفسها. ومن المعروف أن شبكة العنكبوت أقوى من الفولاذ ومرنة مثل المطاط، بالإضافة إلى ميزتها الكبيرة وهي خفة وزنها.

وأعلن فريق من جامعة تافت في بوسطن، برئاسة خبير الهندسة الحيوية البروفيسور ديفيد كابلان، أمس، أنهم اكتشفوا كيفية سيطرة الديدان والعناكب على الغدد التي تنتج البروتينات، لغزل الشباك. تم نشر تقرير عن البحث هذا الصباح في مجلة Nature الأسبوعية للعلوم.

يعتبر إنتاج شبكة العنكبوت حتى الآن لغزا غير معروف، ويعتبر كسره إنجازا ذا ​​أهمية خاصة. إن فهم العملية سيكون بمثابة الأساس لجيل جديد من المواد والمنتجات خفيفة الوزن والقوية والصلبة للغاية، مثل السترات الواقية الشخصية أو الملابس للفرق الطبية في المستشفيات. وبعد هذا الاكتشاف، بدأوا في تربية قطيع من الماعز في الولايات المتحدة خضع لتغيرات داخلية، بحيث تنتج أجسامهم حليبًا يحتوي على البروتينات اللازمة لإنشاء شبكات العنكبوت أو ألياف دودة القز.

يستطيع العنكبوت أن ينسج في صباح أحد الأيام شبكة يبلغ طول أليافها 30 مترًا. لاحظ العلماء عنكبوتًا ينسج شبكة يبلغ طولها 300 متر، "بسحبة واحدة" ودون توقف.

للحصول على معلومات في الطبيعة