Znajdź zawartość

Xinwei Wang, profesor z Iowa State University, dowiódł, że nić pajęcza przewodzi ciepło równie dobrze jak metal. Uczony specjalizuje się w poszukiwaniu naturalnych przewodników ciepła. Wiadomo, że takimi przewodnikami są diamenty, miedź czy aluminium, ale większość naturalnych materiałów bardzo słabo przewodzi ciepło. Środowisko naukowe od pewnego czasu spekulowało, że nić pajęcza może być przewodnikiem ciepła, ale nikt tego dotychczas nie badał. Wang zaprzągł do pracy osiem pająków z gatunku Nephila clavipes, które żywił w klatkach. Pozyskaną od nich sieć poddał testom i odkrył, że jest ona zadziwiająco dobrym przewodnikiem. Transportuje ona ciepło 1000-krotnie lepiej niż przędza jedwabnika i 800 razy lepiej niż inne naturalne tkanki. Jest w tym nawet lepsze od... miedzi. Przewodność cieplna nici pajęczej wynosi bowiem 416 watów na metr-kelwin, podczas gdy miedzi - 401 W/(m-K). Przędza pająka jest niewiele gorsza od srebra, którego przewodność cieplna to 429 W/(m-K). „Nasze odkrycie zmieni pogląd, jakoby materiały biologiczne charakteryzowały się niską przewodnością cieplną“ - stwierdził Wang. Kolejną zadziwiającą właściwością pajęczych nici jest fakt, że ich przewodność cieplna rośnie w miarę rozciągania. W większości materiałów przewodność cieplna spada gdy są rozciągane. Tymczasem uczony rozciągnął nić o 20% i uzyskał wzrost jej przewodności cieplnej również o 20%. Zdaniem Wanga badany przez niego materiał charakteryzuje się tak dobrą przewodnością gdyż na poziomie molekularnym pozbawiony jest defektów, zawiera proteiny z nanokryształami oraz przypominające sprężyny struktury łączące proteiny. Uczony zastanawia się, czy nie można będzie tak zmodyfikować przędzy pajęczej, by zwiększyć jej przewodność. Nowo odkryte właściwości nici pająka mogą posłużyć do stworzenia lepszej odzieży ochronnej, systemów odprowadzania ciepła z elektroniki, bandaży, które nie będą zatrzymywały ciepła i wielu innych przydatnych przedmiotów.

Pracując nad sztuczną skórą do przeszczepów, naukowcy wpadli na pomysł, by przetestować w tym zakresie pajęczą nić. Jedwab wiodący (ang. dragline silk) pająków z rodzaju Nephila rozpinano na stalowych ramach, sterylizowano i zaszczepiano na nim fibroblasty. Po dwóch tygodniach dodawano do nich keranocyty, uzyskując w ten sposób dwuwymiarowy model skóry, składający się z odpowiedników naskórka i skóry właściwej. Przez następne 3 tygodnie prowadzono kohodowlę tych dwóch typów komórek. Zespół Hanny Wendt z Medizinische Hochschule Hannover zastosował zaprojektowany specjalnie do tego celu interfejs powietrze-ciecz. Niemcy ustalili, że nić pajęcza stanowi dobrą macierz dla trójwymiarowych hodowli skóry. Zarówno linie keranocytów, jak i fibroblastów dobrze przylegają do oprzędu i się namnażają. Podążając śladem nici, komórki rozprzestrzeniają się, tworzą sieć i już po tygodniu osiągają etap spójnej warstwy. Wendt, która zajmuje się chirurgią rekonstrukcyjną, podkreśla, że opracowanie nowych matryc do odnowy skóry to pilna kwestia. Idealny biomateriał powinien sprzyjać przytwierdzaniu, namnażaniu i wzrostowi komórek. Poza tym powinien ulegać rozłożeniu we właściwym czasie, nie wydzielając przy tym szkodliwych związków i nie wyzwalając patologicznej odpowiedzi immunologicznej. Wydaje się, że jedwab wiodący pająków Nephila, służący do budowy szkieletu pajęczyny i nici asekuracyjnych, w dużej mierze spełnia większość tych wymogów. Jedwab wiodący ma niezwykłą wytrzymałość, podobną jak w przypadku kewlaru, a jednocześnie jest od niego o wiele bardziej rozciągliwy. Rozciągliwość jedwabiu wynosi 25-35%, a materiału używanego do produkcji kamizelek kuloodpornych zaledwie 5%. To ważne cechy określające łatwość użycia i przenoszenia wielu implantów. W odróżnieniu od nici jedwabników morwowych, nici pajęcze nie prowadzą do odrzucenia przeszczepów. Nie są bowiem pokryte białkiem serycyną. Niemcy uważają też, że jedwab pajęczy może mieć właściwości antybakteryjne. Zespół z Hanoweru ujawnił, że jedwab wiodący pozostaje stabilny w dużym zakresie temperatur (nawet do 250°C). Nie rozpuszcza się w wielu organicznych i wodnych roztworach, a także w słabych kwasach i zasadach. Sprzyja wiązaniu i wzrostowi komórek tak samo dobrze jak kolagen.

Nić pajęcza jest materiałem niezwykłym. Jest nie tylko pięć razy bardziej wytrzymała na rozciąganie od nici stalowej o tej samej masie, lecz dodatkowo jest bardziej elastyczna od gumy. Dzięki naukowcom z University of Akron dowiadujemy się o jeszcze jednej niezwykłej właściwości tego polimeru: zmienia on swoją długość pod wpływem zmian wilgotności powietrza, co oznacza, że może stać się materiałem do budowy sztucznych mięśni dla nanorobotów. Jak wspomina autor badań nad pajęczymi nićmi, prof. Ali Dhinojwala z Wydziału Nauk o Polimerach na University of Akron, kurczenie się i rozszerzanie nici pod wpływem zmian wilgotności zaobserwował jego kolega z Wydziału Biologii, prof. Todd Blackledge. Naukowcy z zespołu prof. Dhinojwali postanowili wykorzystać to zjawisko w praktyczny sposób i zbudowali prosty układ zdolny do podnoszenia ciężarów. Już podczas pierwszych obserwacji zauważono, że obniżenie wilgotności powietrza z 90% do 10% wystarcza, by nić o długości ok. 4 cm i średnicy 5,5 µm była w stanie podnieść w ciągu trzech sekund ciężarek ważący 9,5 mg na wysokość 0,65 mm. Co prawda oznacza to skrócenie się włókna zaledwie o 1,7%, lecz siła wytworzona w tym procesie, przekraczająca 50-krotnie siłe wytwarzaną przez ważące tyle samo włókno ludzkiego mięśnia, robi niemałe wrażenie. Zupełnie niesamowicie brzmi za to wielkość naprężeń, z jakimi radzi sobie skracająca się nić, wynosiły one bowiem aż... 40 megapaskali. Proces zaobserwowany przez prof. Blackledge'a można wielokrotnie powtarzać bez utraty siły skurczu. Niestety, kurczliwość włókien jest stanowczo zbyt mała, by były one użyteczne w obecnej formie. Naukowcy z University of Akron liczą jednak, że opracowanie metod splatania nici w większe sznury pozwoli na znaczącą poprawę tego parametru bez utraty pozostałych cennych właściwości niezwykłego materiału. Zdaniem prof. Dhinojwali udoskonalona wersja pajęczych sieci może mieć wiele zastosowań. Wśród przykładowych sposobów wykorzystania tego tworzywa badacz wymienia m.in. konstrukcję siłowników dla robotów i nanomaszyn, a także systemy dostarczania leków, zawory reagujące na wilgotność powietrza, a nawet... systemy wytwarzania energii. Co ważne, wynalazki te byłyby przyjazne dla środowiska i wydajne energetycznie, co czyni je bardzo atrakcyjnymi z punktu widzenia wielu gałęzi przemysłu. Ze względu na prawa autorskie zdjęcia układu stworzonego przez zespół z Akron są dostępne pod tym adresem.