رشته‌ ها و الیاف

مطالعه در خصوص ساختارها و الیاف زیستی موجود در طبیعت؛ دریچه‌ای برای تولید مواد با خواص و ویژگی‌های جدید گشوده است. از جمله این الیاف می‌توان به فیبرهای زیستی موجود در ماهیچه‌ها اشاره کرد که انرژی شیمیایی را با بازدهی بسیار بالا به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. تارهای عنکبوت با خواص مکانیکی منحصر به فرد ، رشته‌های اتصال دهنده صدف‌ها و ماسل‌ها به کف دریا، کلاف‌های دفاعی مارماهی‌ها و… از دیگر موارد الهام بخش زیستی موجود در طبیعت می‌باشند.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-رشته ها و الیاف
2-عملکرد فیبرها در ماهیچه ها
3-تولید الیاف به عنوان ابزار کار
4-عملکرد دفاعی

عناصر اصلی الیاف حیوانی اساساً پروتئین های لیفی ساختاری هستند که در مو، تاندون ها، غضروف (کارتیلاژ)، پوست، شاهرگ ها، و ماهیچه ها یا در کیوتیکل و پوست های مهره داران مانند حشرات و عنکبوتیان وجود دارند. پروتئین های مجزایی که این الیاف را ایجاد می کنند دارای یک تکرار آمینو اسیدی خاص هستند که قابلیت تبدیل به یک شبکه سوپرمولکولی (مولکولی بزرگ) مانند الیاف ماکروسکوپی را دارند.
یکی از موارد الگوبرداری از حیات برای طراحی مواد و استفاده از آن ها رشته ها و الیاف هستند. وقتی به الیاف در طبیعت می نگریم، مشاهده می کنیم که دامنه ی کاربردی وسیعی دارند و علاوه بر پوشش، با عملکردهای ویژه، برای کنترل رطوبت، استحکام بخشی، انتقال نور و یا دفاع استفاده می شوند.

در ماهیچه های بدن تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به مکانیکی رخ می دهد. این موضوع مورد توجه خیلی از دانشمندان و محققان است که سعی دارند به مقادیر بالای بازده ی تبدیل انرژی در حد 50 درصد برسند. این مقدار میزان بازدهی بالایی در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی (موتور خودروها) و توربین های بخار که در بهترین شرایط بازدهی آنها 30 درصد است، می باشد[3].
میولوژی با مطالعه علمی ماهیچه ها سر و کار دارد. ماهیچه ها قابلیت حرکت بدن انسان را فراهم کرده و بین 40 تا 45 درصد از وزن آن را تشکیل می دهند. آنها ابزاری برای تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به مکانیکی (جا به جایی، کار و نیرو) را فراهم می کنند. وظایف ماهیچه ها عبارتند از: تحریک پذیری یا قابلیت پاسخ به محرکی خاص، قابلیت انقباض یا قابلیت جمع شدن و تولید نیرو برای انجام کار، قابلیت باز شدن یا قابلیت ماهیچه برای کشیده شدن بدون آنکه به بافت آسیبی بزند. بیشتر ماهیچه های اسکلتی، یک ماهیچه کمکی مشابه دارند که با آزاد شدن یکی از آن ها، دیگری جمع و یا کشیده می شود که این قابلیت بافت ماهیچه و کشسانی بودن آن باعث بازگشت به شکل اولیه می گردد. برای انجام این عملکردها ماهیچه ها ساختار ویژه ای دارند. یک ماهیچه اسکلتی معمولی از صدها یا هزارها سلول استوانه ای بسیار بلند به نام ”فیبر ماهیچه ای” تشکیل شده است. فیبرهای ماهیچه ای موازی با همدیگر قرار می گیرند و بین 10 الی 100 میکرومتر قطر دارند. طول معمول آنها 100 میکرومتر است، اما برخی از فیبرهای ماهیچه ای تا 30 سانتیمتر طول دارند[3].
سارکولما یک غشای پلاسمایی فیبری ماهیچه ای است که سیتوپلاسم یا سارکوپلاسم آن را احاطه می کند. هر فیبر، هسته های زیادی دارد که ساخت مستقیم پروتئین های جدید را انجام می دهند. درون فیبرهای ماهیچه، میکروفیبریل ها قرار دارند که در طول ساکروپلاسم کشیده شده اند. رنگ های تیره و روشن مشخص در آن ها “رگه های عرضی” نامیده می شوند و فیبر ماهیچه را راه راه و یا رگه دار نشان می دهند[3].

میکروفیبریل عنصر قابل انقباض ماهیچه اسکلتی است که 1 تا 2 میکرومتر قطر دارد و حاوی سه نوع فیلامنت کوچکتر به نام “مایوفیلامنت” می باشد. این سه رشته به ترتیب، رشته های نازک، ضخیم و کشسان هستند که رشته های نازک حدود 8 نانومتر، و رشته های ضخیم 16 نانومتر قطر دارند[3].
شبکه منظم فیلامنت های پروتئینی یا توبول های توخالی به درون سلول، سیستمی به نام “سایتواسکلت” را تشکیل می دهند. این سیستم ترکیبی از زیرواحدهای پروتئینی می باشد که هم به صورت فیلامنت هستند و هم حالت لوله های توخالی دارند. سایتواسکلت سه جزء مجزا دارد؛ میکروفیلامنت ها، فیلامنت های میانی و میکروتوبول ها که هم ساختار متفاوتی دارند و هم عملکردشان متفاوت است[3].
میکروفیلامنت ها کوچکترین اجزای سایتواسکلت هستند و 7 نانومتر قطر دارند و شامل 2 پروتئین نازک (پروتئین های اکتین) می باشند که به دو رشته در هم تنیده شده تبدیل شده اند. میکروفیلامنت ها یک شبکه فراگیر سطحی را روی سمت سیتوپلاسمی غشای پلاسما ایجاد کرده اند و به سلول کمک می کنند تا شکل و ساختار خود را حفظ کند، تغییرات در شکل سلول را ممکن می کنند و در انقباض ماهیچه ها شرکت دارند، دو سلول ایجاد شده در تقسیم سلولی را جدا می کنند و جریان سیتوپلاسمی را که شامل جابجایی سیتوپلاسم در تغییر شکل سلول است تسهیل می کنند[3].

حیات، اولین الهام دهنده ی نتایج مهندسی در ساخت الیاف بوده است. مهم ترین دارایی عنکبوت، تارش است و تار ابزار اصلی عنکبوت برای همه ی کارهایش می باشد. اما چرا این تارها در هر کتاب نانوالیافی به طور ویژه مطرح می شود؟ الیاف عنکبوت در مقایسه با نانوالیاف، از استحکام فوق العاده ای برخوردار است. تولید نانوالیاف الکتروریسی از ماده صابونی شکل و پروتئینی حل شونده در آب که توسط عنکبوت ها تولید شده، ولتاژ بسیار بالایی را نیاز دارد (از چند هزار ولت تا چندهزار تن)، اما با این روش استحکام مکانیکی الیاف به شدت کمتر از تار عنکبوت خواهد شد[3].
مهم ترین تفاوت در ریسیدن عنکبوت این است که اسپینرت عنکبوت میلیون ها لوله نانومتری دارد و حباب هایی در نوک هر نانولوله می تواند ایجاد گردد. کشش سطحی هر حباب بسیار کم است، طوری که می تواند آن را با یک نیروی فوق العاده کم به صورت نانوالیاف بریسد. کشش در این فرایند با وزن عنکبوت یا نیروی رو به عقب پاها تامین می شود[1].

فرایندی که طی آن الیاف طبیعی به ویژه مواد ابریشمی همچون مو تولید می شوند، پایه ی این روش ها فرایند اکستروژن است. فرایند ساده ای که چرخ گوشت تداعی کننده آن برای همه است. البته همه ی مواد لیفی در طبیعت با اکستروژن تولید نمی شوند. رشد موی دانه ها و گیاهان و همچنین رشته بایسوس که صدف ها را به سطح دریا می چسباند، از مدل اکستروژن تبعیت نمی کنند. اکستروژن طبیعی تحت شرایط عادی انجام می شود که مشابه اکستروژن الیاف مصنوعی نیست که باید در دماهای بالا یا در ترکیب محلولی خاص صورت بگیرد، اما با این حال شباهت ها زیاد است[3].
صرف نظر از اینکه فرایند طبیعی باشد یا مصنوعی، در اکستروژن پلیمر از یک حالت سیال به داخل یک روزنه کوچک پمپ می شود، در روش های مصنوعی ساخت انسان، روزنه های زیادی استفاده می شود. به این روزنه در ریسیدن تار عنکبوت “اسپیگات” گفته می شود. صفحه ی روزنه های ریسندگی برای تولید الیاف مصنوعی “اسپینرت” نامیده می شود. اسپینرت شبیه به یک دوش حمام است. بعد از آنکه سیال پلیمری از اسپیگات یا اسپینرت رد شد، فرایندهای طبیعی و مصنوعی از هم فاصله می گیرند. در فرایند طبیعی، فیلامنت فوراً به کار گرفته می شود و این انتهای کار آن است، شکل قابل مصرف که درست قبل از خارج شدن از اسپیگات جامد و سخت شده است. اما در روش مصنوعی فیلامنت ها تا صفحه اسپینرت همچنان سیال هستند و قبل از آنکه دور یک دوک پیچیده شوند، تحت کشش قرار گرفته و سخت می شوند. سخت شدن با خنک سازی یا برداشتن حلال و روش های مشابه صورت می گیرد. این فرایند اکستروژن در ساده ترین شکل آن است. در روش های الکتروریسی، با تلاش روی ساخت الیاف فوق ظریف، نانوالیاف تولید می شوند. این روش از جریانی با ولتاژ بالا برای کشش استفاده می کند که کشش وارده به الیاف، در آن به شدت بالا است. قطر الیاف با روش های جدید مانند الکتروریسی، می تواند به 100 نانومتر هم برسد و نانوالیاف را تولید کند[3].
غدد تاری و سیستم های ریسندگی عنکبوت از غدد بزاقی تغییر یافته مانند غدد تاری بهره نمی برند. عنکبوت ها یک یا چند غده تاری دارند که در شکم آنها جای گرفته و هر کدام به اسپینرت در بخش انتهایی شکم آن ها وصل شده است. یک کانال با طول و شکل خاص، بسته به نوع عنکبوت و غدد تاری مورد بررسی، غدد را به اسپینرت وصل می کند. ماده ساخته شده از سلول های خاص دیواره غده در زمانی که از کانال عبور می کند و در معرض تنش ها و اصلاحات شیمیایی و فیزیکی قرار می گیرد، به تدریج به الیاف تبدیل می شوند. الیاف تار که عنکبوت توسط پاهایش به بیرون می کشد حل شدنی نیست و سخت شده است[1].

بیشتر تارهای عنکبوت شناخته شده به نسل نفیلا و آرانئوس تعلق دارند. این عنکبوت ها همگی عنکبوت های سازنده تارهای گرد هستند که حیات آن ها به شکار حشرات در یک ساختار تار استادانه بستگی دارد. این نوع عنکبوت ها هفت نوع غده دارند و می توانند هفت نوع تار که خواص مکانیکی هر کدام با بقیه بسیار متفاوت است و تلفیقی از آن ها را که عملکرد و کاربرد خاصی برای آن تعریف شده است، یعنی تارهای لانه سازی یا فرود را تولید کنند. بیشتر عنکبوت های اولیه (میگالمور فای) تنها یک نوع غده تاری دارند و یک ابریشم تولید می کنند[3].

بهترین تارهای شناخته شده تارهای فرود و ویسکید هستند. تارهای فرود برای ساخت چارچوب تار یا به عنوان یک طناب ایمنی در زمان افتادن عنکبوت از ارتفاع به کار می رود و تارهای ویسکید (تار فلگلیفورم) قسمت حلزونی تار را می سازند. این دو سازه ساختارهای مولکولی متناوبی دارند و از این رو به استحکام های کششی و کشسانی های مختلف می رسند[3].
در فناوری نانو، زیست شناسی به کمک مهندسی آمده است. ساختارهای مویی و نانومتری با روش های تولید نانوالیاف و نانومیله ها، با موفقیت شبیه سازی شده است و چسب گکو نمونه ای از آن ها می باشد.
محققان برای شبیه سازی ریسندگی تارهای عنکبوت تلاش کرده اند تا حباب هایی را روی سطح الیاف ایجاد کنند. این روش با تولید و تنوع بالایی، نانوالیاف را تولید می کند و حداقل قطر الیاف که می تواند با این روش تولید شود 50 نانومتر است.

مشاهده باز و بسته شدن خودبه خودی گیاهان منجر به این شد که کرنف از دانشگاه کلمسون، مواد لیفی حساس به آب را توسعه دهد که از کاربردهای فوق جاذب بودن است و در آن انرژی فیزیوشیمیایی تر شوندگی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود تا روی خم شدن پارچه تاثیر بگذارد. بین لایه های پارچه نانوالیاف الکتروریسی شده از آلیجینات، یک بیوپلیمر طبیعی استخراج شده از جلبک دریایی و ماده ای ژل ساز که عملکرد آن بر اساس تشکیل اتصال های جانبی با کلرید کلیسم است وارد می شود. وقتی این لایه ها تر شد لایه های آلیجینات به چندین برابر متورم می شوند. یکی از نتایج این کار، طوماری است که بعد از تر شدن خود را جمع می کند[3].
داخل پرانتز باید گفت که هرچند چنین عملکردهای شیک و جالبی با هدف رسیدن به محصولی خاص دنبال می شود اما انتخاب ها باید به سمت محصولاتی تحقق پذیر برای همه مردم باشد تا فناوری نانو واقعاً همگانی گردد. ساختن یک گوش مصنوعی برای درمان ناشنوایی یا یک محصول مشابه، ارزش بالاتری از کاربردهای بی خاصیت یا کم خاصیت دارد.
در سال های اخیر تارهای عنکبوت، مواد مدل شده ای در نظر گرفته می شوند که برای طراحی الیاف پروتئینی به کار می روند و خواص فیزیکی خوبی دارند و در نهایت به ثبات بالایی می رسند، اما متاسفانه تلاش ها برای ساخت تارهای عنکبوتی مصنوعی با رویکردهای باز تلفیق DNA نتوانسته به این مقصود برسد[1].
سرعت تولید نانومواد در طبیعت بسیار بالا می باشد. مثلاً بلورهای برفی، چیدمان لحظه ای سریع مولکول های آب در ابعاد نانومتری هستند و شکل و ابعاد آن ها با ارتفاع و فشار هوایی که در آن شکل گرفته اند تعیین می شود. اما این سرعت در تولید نانو الیاف هم وجود دارد.
هاگ فیش پاسیفیک یا اپتاترتوس استوتی که شبیه یک مارماهیست، قادر است به راحتی یک کوسه را فراری بدهد. بدن این مارماهی از یک اسکلت تماماً غضروفی تشکیل شده است و فلسی ندارد. سطح بدن آن از پوست نازکی با غدد فراوان شکل گرفته است که این غدد مقادیر بالایی ماده چسبنده را به عنوان سیستم دفاعی ایجاد می کنند. این ماده چسبنده الیاف بلندی دارد که عامل ایجاد توده های ژله ای شکل در آب محسوب می شوند. وقتی دشمنی مثل ماهی های بزرگتر و کوسه ها به هاگفیش نزدیک می شوند، با اولین تماس دهان با بدن مارماهی فراری خواهند شد[7].

تار هاگفیش یک رشته واحد استوانه ای و بسیار پیچ و تاب دار است که طول آن می تواند به 60 سانتیمتر برسد و قطر رشته نیز به 1.5 میکرومتر می رسد. پروتئین درون تارهای این مارماهی، ماده ای چسبنده است که مشابه تار عنکبوت تولید می شود. فرایند کشش نخ های چسبنده، الیافی را ایجاد می کنند که استحکام کششی و چقرمگی شبیه به تارهای فرود عنکبوت دارد. هر رشته تشکیل دهنده ی تارها، دارای قطر 12 نانومتر و طول 15 سانتیمتر می باشد[7].
الیاف هاگفیش عرض نانومتری دارند و به سرعت در عرض چند ثانیه اطراف ماهی را از ژل پر می کنند، و ژل باعث سر شدن و جستن ماهی می شود. استحکام نانوالیاف تولید شده حیرت آور است زیرا دارای استحکام کششی فوق العاده بالا(800 مگاپاسکال یا نزدیک 1 گیگاپاسکال) و وزن کم می باشد. به طور مثال در یک وزن برابر استحکام آن 5 برابر فولاد است[2].

دانشمندان با استفاده از SEM (میکروسکوپ الکترونی) ساختار یک رشته نانومتری هاگفیش را بررسی کرده اند. این نخ به شکل یک پوسته قیفی یا کلاف در می آید که 15 تا 20 لایه دارد[7].

تارهای فرود عنکبوت، استحکام کششی 1100 مگاپاسکال دارند، اما این مقدار برای هاگفیش 800 مگاپاسکال است. استحکام فولاد 5000 مگاپاسکال می باشد اما از لحاظ وزنی بسیار سنگین تر است. دو ماده مستحکم دیگر گرافن و نانولوله ها هستند که استحکام 63 و 130 گیگاپاسکال دارند[2].
نمونه ی دیگری از الیاف در طبیعت که از نانوساختار بهره مند هستند، در رشته های اتصال دهنده صدف های دوکپه ای به کف دریا دیده می شوند. صدف ها یا ماسل ها که در ضربات شدید امواج سالم می مانند، موفقیت خود را در این شرایط حاد، به یک سیستم الیاف منحصر به فرد مدیون هستند که اتصال بسیار مقاومی را به سطوح آن ها ایجاد می کند. این سیستم اتصال بیسوس صدف، دسته ای از نخ هاست که شامل یک کلاژن می باشد، ولی برخلاف فرایندهای اکستروژن، تار بیسوس در کنار صدف ایجاد می شود. در نتیجه علت منحصر به فرد شدن نخ های بیسوس این است که این رشته ها خواص مکانیکی غیرمعمولی دارند، از یک سو همراه با سختی می باشد و از سوی دیگر 160 درصد ازدیاد طول دارد. ناحیه ابتدایی، حلقه های متصل به هم متعددی دارد که قابلیت کشیده شدن را ایجاد می کند. نواحی انتهایی، دارای دسته های فشرده ای از رشته های فیلامنتی هستند که در سختی نقش دارند. افزون بر این، سختی نخ ها و گرفتن ضربه، با افزایش میزان ازدیاد طول یا کرنش بالا می رود.
صدف های دریایی یا ماسل ها با ریشه هایی به سطح دریا وصل شده اند که از پوشش کشسان نانوکامپوزیت تشکیل شده اند. این روش در میان بیشتر الیاف طبیعی نسبتاً تازه است. این الیاف دارای پوششی 2 تا 4 میلیمتری از کیوتیکل برای محافظت از مغزی ریشه است. در بیسوس که در شکل 10 نشان داده شده است، کیوتیکل با نانوگرانول هایی(دانه هایی نانومتری) همراه شده تا کشیده شدن پوشش سخت را به میزان 70 درصد افزایش دهد و آن را منطبق بر هر پوشش پلیمری دیگر کند. هر چند چقرمه سازی پلیمرهای(معمولاً اپوکسی ها) با وارد کردن ذرات لاستیکی چیز جدیدی نیست، اما این مثال هنوز می تواند به ما مکانیزم های جدیدی برای ارتقا بدهد. کیوتیکل ماسل میتواند پوشش های کامپوزیتی نازک جدیدی را پیشنهاد کند که سخت اما کشسان هستند[3].

گسترش کشف ساختارها و عملکردها در الیاف مناسب زیستی و مواد لیفی به ندرت آغاز می شود. هر چه دانشمندان مواد و یا مهندسی با دانشمندان زیست شناس و مهندسین ژنتیک ارتباط بیشتری داشته باشند نتایج در هر دو حوزه به حالت های بیشتری می رسد. زیست شناسان می توانند حرکت های جدیدی را برای جهت دهی تحقیقات شان بیابند و جامعه ی مواد، به راه های جدیدی برای ساخت مواد جدید بیاندیشد.