Η φύση συχνά εμπνέει τους ανθρώπους να μιμηθούν τις ιδέες της και να δημιουργήσουν νέες εφευρέσεις. Οι ιστοί αράχνης των οκτάποδων φίλων μας έχουν αποτελέσει μεγάλη πηγή έμπνευσης για μερικούς επιστήμονες που έχουν αναλύσει τις ιδιότητές τους και έχουν φανταστεί κάποιες εφαρμογές στον βιομηχανικό τομέα.
Ένα από τα φυσικά στοιχεία που προσέλκυσε πρόσφατα την προσοχή αρκετών επιστημόνων είναι ο ιστός της αράχνης.. Δύο ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα νήματα μεταξιού της αράχνης είναι δέσμες νανοϊνών πρωτεΐνης που, σε σύγκριση με την ίδια μάζα του χάλυβα, είναι πέντε φορές πιο ανθεκτικές και τρεις φορές πιο ελαστικές, δηλαδή ιδιότητες ζηλευτές στον κόσμο της μηχανικής.
Οι συνθετικές ίνες είναι θεμελιώδεις στη βιομηχανία, όπως για παράδειγμα αυτές του νάιλον.. Η σύνθεση των πολυμερών που χρησιμοποιούνται σήμερα, ωστόσο, απαιτεί μεγάλες ποσότητες οργανικών διαλυτών ή υψηλές θερμοκρασίες για την παραγωγή, κάτι που δεν καθιστά τον κύκλο παραγωγής φιλικό προς το περιβάλλον. Οι αράχνες για να συνθέσουν αυτές τις ανθεκτικές ίνες χρησιμοποιούν υδατικά μέσα σε χαμηλό pH και σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή, με μηδενικό περιβαλλοντικό αντίκτυπο.
Ο ιστός αράχνης διαθέτει σημαντικές μηχανικές ιδιότητες
Παρά το γεγονός ότι είναι χιλιάδες φορές λεπτότεροι από μια ανθρώπινη τρίχα και ο δεσμός μεταξύ των ινών είναι ασθενής, όταν τοποθετούνται παράλληλα καθιστούν το νήμα εξαιρετικά ανθεκτικό. Η δυνατότητα να αναπαραχθούν συνθετικά υλικά με τα ίδια χαρακτηριστικά με αυτά τα φυσικά υλικά θεωρούνται το Άγιο Δισκοπότηρο της βιομηχανίας και θα έφερνε πολλά πλεονεκτήματα σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.
Το δυνατό τους σημείο είναι οι μηχανικές ιδιότητες. Έχουν υψηλές ικανότητες απορρόφησης κραδασμών και μια επιμήκυνση έως και 40% πριν από τη θραύση τους. Συγκρίνοντας τα με πιο κοινά υλικά: ο χάλυβας έχει μια μέγιστη επιμήκυνση 8% και το νάιλον 20%.
Ο Spiderman δεν είναι μόνο υπερήρωας, αλλά και μηχανικός με τους ιστούς του
Μια γαλλική εταιρεία και ένας γερμανός παραγωγός συνθετικών βιοπολυμερών συνεργάζονται για να αναπτύξουν ένα νέο υλικό παρόμοιο με τις ίνες των ιστών αράχνης. Η ιδέα είναι να εκμεταλλευτούν αυτήν την τεχνολογία στον τομέα της αεροναυτικής καθώς είναι εύκολο να προσαρμοστεί στις γεωμετρίες των φτερών και της ατράκτου χωρίς να θυσιάσει τις μηχανικές ιδιότητες. Το κέρδος όσον αφορά το βάρος θα σήμαινε μείωση της κατανάλωσης καυσίμου.
Μπορούν οι ιστοί αράχνης να σταματήσουν ένα Boeing 747 που ταξιδεύει με 320 χλμ/ώρα; Η απάντηση είναι ναι, αλλά σύμφωνα με τον ερευνητή Dennis Kunkel, ο ιστός πρέπει να είναι τουλάχιστον όσο ένα γήπεδο ποδοσφαίρου και πάχους 2/3 χιλιοστών. Ο Spiderman κατάφερε να σταματήσει ένα τρένο εν κινήσει επειδή εκτός του ότι είναι υπερήρωας είναι και ειδικός στην επιστήμη των υλικών!
Μέθοδοι παραγωγής
Η σύνθεση αυτών των υλικών στο εργαστήριο δεν είναι εύκολη. Κάποιος θα μπορούσε να σκεφτεί να εκτρέφει τις αράχνες όπως συμβαίνει με τα μεταξοσκώληκα, εντούτοις προκύπτουν κάποια προβλήματα. Καταρχάς οι αράχνες δεν είναι κοινωνικά ζώα, η δημιουργία μιας «κοινότητας» αραχνών θα σήμαινε ότι θα μπορούσαν να επιτεθούν μεταξύ τους και τελικά ο αριθμός τους να μειωθεί σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Επιπλέον, οι αράχνες παράγουν το μετάξι (εντός της κοιλιάς τους) μόνο όταν έχουν ανάγκη να δημιουργήσουν έναν ιστό. Επομένως, η αναπαραγωγή του ιστού στο εργαστήριο ενέχει έναν με μεγάλο βαθμό δυσκολίας. Σε αυτό το σημείο, οι επιστήμονες έχουν μελετήσει τη χημική σύσταση των ιστών και έχουν επιτύχει ικανοποιητικά αποτελέσματα.
Οι επιστήμονες έχουν αποκρυπτογραφήσει επίσης το DNA των αραχνών και έχουν εντοπίσει τα γονίδια που είναι υπεύθυνα για την παραγωγή αυτών των πρωτεϊνών. Αυτά τα γονίδια εισήχθησαν στο DNA ορισμένων βακτηρίων κατέστησαν δυνατή την παραγωγή ειδικών πρωτεϊνών, παρόμοιων στη δομή με τις ίνες των ιστών αράχνης. Το προϊόν της εργασίας των βακτηρίων μπορεί στη συνέχεια να μετατραπεί σε γέλη, ίνες ή φιλμ.
Πιθανές εφαρμογές
Έχουν ήδη βρει χρήσιμες εφαρμογές στην κοσμετολογία και στην ιατρική ως χειρουργικό νήμα. Πρόσφατα επίσης και στον αθλητικό τομέα ενσωματωμένα στα αθλητικά παπούτσια. Στο μέλλον θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ζωνών ασφαλείας, καλωδίων για αλεξίπτωτα, αερόσακων για αυτοκίνητα και, δεδομένης της δυνατότητας κατασκευής υφασμάτων, ακόμη και για την παραγωγή ενδυμάτων.
Βιομιμητισμός και αειφορία
Η έρευνα στους αραχνοΰφαντους ιστούς αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγμα βιομιμητισμού, δηλαδή της μίμησης των λειτουργιών και των σχεδίων της φύσης για την επίλυση ανθρώπινων προβλημάτων. Εκτός από την αντοχή και την ελαστικότητα, οι ιστοί παρουσιάζουν και άλλες εντυπωσιακές ιδιότητες, όπως η αυτοεπιδιόρθωση και η βιοδιασπασιμότητα.
Αυτά τα χαρακτηριστικά τους καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικούς για την ανάπτυξη βιώσιμων υλικών και προϊόντων, καθώς μπορούν να μειώσουν την εξάρτησή μας από μη ανανεώσιμους πόρους και να περιορίσουν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Προκλήσεις και το μέλλον
Παρά τις σημαντικές προόδους που έχουν επιτευχθεί στον τομέα της βιομιμητικής των ιστών, υπάρχουν ακόμα πολλές προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν. Η μαζική παραγωγή συνθετικών υλικών με τις ίδιες ιδιότητες με τους φυσικούς ιστούς παραμένει ένα κοστοβόρο και τεχνολογικά απαιτητικό εγχείρημα. Επιπλέον, η ανάπτυξη εφαρμογών σε μεγάλη κλίμακα απαιτεί τη συνεργασία διαφορετικών επιστημονικών κλάδων, όπως της βιολογίας, της χημείας, της μηχανικής και της νανοτεχνολογίας.
Ωστόσο, οι προοπτικές είναι εξαιρετικά ενθαρρυντικές. Καθώς η έρευνα προχωρά, αναμένουμε να δούμε όλο και περισσότερες καινοτόμες εφαρμογές των ιστών σε διάφορους τομείς, από την ιατρική μέχρι την αεροδιαστημική.
