Pająki tkające sieć pokrytą nanorurkami węglowymi? Brzmi jak największe marzenie prezesa koncernu przemysłu tekstylnego. Niestety, jest to niemożliwe do zrealizowania, niemniej jednak pewien fizyk – Eden Steven – z zakładu MagLab Florida State University w trakcie eksperymentów z pajęczą siecią i nanorurkami węglowymi pokazał, że proste metody mogą prowadzić do zaskakujących efektów funkcjonujących zgodnie z prawami natury.
Pomimo grubości mniejszej od ludzkiego włosa, sieć jest tak elastyczna że potrafi zwiększyć swoją długość do 40% bez rozerwania się, a pod względem skali jest bezkompromisowo wytrzymalsza od stali. Pajęcza sieć zbudowana jest z nici przędnej pająków która powstaje w wyniku krzepnięcia w otoczeniu powietrza wydzieliny z gruczołów przędnych pająka umiejscowionych na końcu odwłoku. Niesamowitym jest, że każda rodzina pająków buduje sieci w odmienny i charakterystyczny dla niej sposób. Pajęcza przędza jest kilkadziesiąt razy cieńsza od ludzkiego włosa, niebywale lekka oraz bardzo elastyczna co rzutuje na bardzo dobrze własności mechaniczne. Wspomnianą ciągliwość aż do 40% osiąga jedynie włókno kwarcowe. Najważniejszym parametrem jest jednak jej wytrzymałość które w przeliczeniu na gęstość materiału jest dwa razy większa niż dla stali. Środowisko naukowe interesuje się własnościami pajęczej nici od dawna a jej potencjalne zastosowania mnożą się w błyskawicznym tempie. Do najważniejszych zastosowań można zaliczyć nici chirurgiczne oraz szwy operacyjne, implanty, sztuczne ścięgna. Kolejną perspektywą jest wykonanie lekkiej i wytrzymałej kamizelki kuloodpornej która zastąpi konwencjonalne kamizelki kevlarowe. Pajęcza przędza być może w przyszłości znajdzie zastosowanie w żyłkach wędkarskich oraz linkach spadochronowych.
Kunszt rodzimego pająka krzyżaka ukazuje niemalże idealnie utkaną sieć
Jeżeli ludzkość zrozumie podstawowe prawa natury oraz mechanizmy nią sterujące, może wykorzystać to na swoją korzyść. Mówiąc nanorurki mamy na myśli jednoatomową warstwę węgla – grafen – zwiniętą w nieskończenie małą tulejkę. Ten rodzaj odmiany alotropowej węgla ma średnicę co najmniej 10000 razy mniejszą od grubości ludzkiego włosa. Nawet laik jest w stanie sobie wyobrazić że w obliczu tak małych wymiarów, struktury zachowują się bardzo dziwnie. W przypadku nanorurek intrygująca jest ich wytrzymałość a także zdolność do przewodnictwa elektrycznego oraz cieplnego. Podstawową inspiracją do powstania pracy była ciekawość Steven’a, albowiem pragnął on zobaczyć w jaki sposób pokrycie pajęczej sieci nanorurkami wpłynie na jej własności. W tym celu naukowiec wspinał się po drabinie aby z rogów korytarzy i laboratoriów zebrać odpowiednią ilość materiału niezbędnego do wykonania badań. Jak widać najprostsze rozwiązania są najlepsze. Kolejnym problemem okazała się zbyt mała adhezja nanorurek w postaci proszku, do zgromadzonej uprzednio w pocie czoła sieci. Jednak problem okazał się błahym a wystarczyła jedynie kropla wody aby trzymać rewelacyjne wyniki w kwestii przylegania proszku. Po przeprowadzeniu badań odpowiednich własności otrzymanego kompleksu, Steven przekonał się jak niezwykłym materiałem jest modyfikowana pajęczyna wprost z naroży miejsc które codziennie odwiedza i gdzie pracuje. Jego badania potwierdziły iż kompozyt może być używany w formie czujników wilgotności lub naprężeń. Gdyż pojedyncze nitki pajęczej sieci zmieniają swoją długość pod wpływem zmiany wilgoci. Co ciekawe otrzymana struktura może działać jako sztuczny mięsień w formie siłownika, ale także jako przewodnik prądu elektrycznego. Zamiast dodawać ogromne ilości toksycznych i złożonych pierwiastków nie ulegających biodegradacji do tworzyw sztucznych, można użyć modyfikowanej sieci dla zastosowań w urządzeniach elektronicznych. Steven chciał zbadać ekologiczny materiał który zająłby się wilgotnością bez żadnych skomplikowanych zabiegów i dodatków chemicznych, dlatego pajęcza sieć okazała się strzałem w dziesiątkę.
“Zrozumienie kompatybilności pomiędzy siecią pająków a materiałami przewodzącymi jest aspektem kluczowym w celu rozpoczęcia stosowania pajęczej nici na potrzeby elektroniki. Sieć jest bardzo wytrzymała ale mięknie w zetknięciu się z wodą. Nanorurki przylegają równomiernie wiążąc się z powierzchnią włókien przędzy co tworzy super wytrzymałe, specjalnie ukształtowane i elastyczne włókna, przewodzące prąd po wysuszeniu jednocześnie kurcząc się” – powiedział Steven
Poniżej krótkie wideo na temat najmocniejszej pajęczej sieci na świecie:
Źródła:
[1] Spider web by d.aniela, flickr.com, CC BY 2.0
[2] Wonjoon Choi, Zachary W. Ulissi, Steven F.E. Shimizu, Darin O. Bellisario, Mark D. Ellison, Michael S. Strano. Diameter-dependent ion transport through the interior of isolated single-walled carbon nanotubes. Nature Communications, 2013; 4 DOI: 10.1038/ncomms3397
[3] Spider web by Luc Viatour, commons.wikimedia.org, CC BY 2.0
[4] http://pl.wikipedia.org/wiki/Ni%C4%87_prz%C4%99dna | 16.09.2013