SG.hu·
Új fényben tűnik fel a pókselyem
Először térképezték fel a pókháló elasztikus tulajdonságainak összességét, elképesztő képet kapva a természet egyik legérdekesebb szerkezetének viselkedéséről. A kutatás új biológiai inspirációjú anyagokhoz vezethet.
A pókselyem gyakorlatilag egyedülálló, nyújthatjuk, hajlíthatjuk, eláztathatjuk, kiszáríthatjuk, állja a megpróbáltatásokat. Ötször erősebb az acélnál és eredeti hosszának közel háromszorosára nyújtható úgy, hogy utána eredeti állapotába ugrik vissza. Bár régóta tanulmányozzák, a tudománynak nem sok ismerete van a pókselyem megdöbbentő fizikájáról, az amerikai Stanford Egyetem egyik kutatója, Kristie Koski azonban most egy eddig kiaknázatlan spektroszkópiás technikával megpróbált fényt deríteni az anyag rejtélyeire.
A pókselyem teljes rugalmassági reakciója öt rugalmassági állandóval írható le, melyek meghatározzák a háló reagálását az erők bármilyen lehetséges kombinációjára -- húzásra, csavarásra, vagy bármilyen irányú vetemedésre. Az öt állandót még soha nem mérték egy érintetlen pókháló esetében, csupán egy-két állandót vizsgáltak a hálók egy-egy adott területén, ami olyan mintha néhány fémrúd egyenkénti tesztelésével szeretnénk felmérni egy híd erejét.
Kristie Koski
Koski meggyőződése, hogy a pókháló tulajdonságainak együttes megismerése a kulcs azokhoz a "biológiai inspirálású" anyagok fejlesztéséhez, melyek nem csupán lemásolják, de túl is szárnyalják a természetet. "A célom a pókselyem nanoszerkezetének tanulmányozása, hogy ne csupán a viselkedését ismerjem meg, hanem azt is, miért viselkedik ilyen példátlan módon, abban a reményben, hogy egy nap valaki jobb szálakat állít elő" - magyarázta Koski, aki a kutatáshoz egy régi, ugyanakkor közel egy évszázada mellőzött mérési technikát, a Brillouin spektroszkópiát alkalmazta.
A technikával egy lézerfényt irányítanak a pókselyemre, ami hanghullámokat generál a selyemben, a fény egy részét visszaverve a spektrométer felé, amit "szóródásnak" neveznek. "Egy kicsit olyan mintha egy hegedű húrjait pengetnénk, azonban fizikailag soha nem érintjük meg a húrt ahhoz, hogy megszólaltassuk" - tette hozzá.
A spektrométer a szórt fény parányi változásainak mérésével állapítja meg a vizsgált pókselyemben rejlő feszültséget. A Brillouin technika erőssége az adatok természetes helyükről származó begyűjtésének lehetőségében rejlik, beleértve a háló keresztezéseinek és ragasztó foltjainak mechanikai tulajdonságait is. Összességében egy nem invazív, nem destruktív technikáról beszélünk, amivel teljes egészében, egyetlen egységként vizsgálható egy pókháló. Az eddigi módszerekkel, melyek szakítással tesztelték a szálakat lehetetlen volt a mostanihoz hasonló, átfogó információ begyűjtése. "Nem kell hozzáérnünk a hálóhoz a méréshez" - összegzett Koski.
Eredménye, amit az egyetem anyagtudományi karának munkatársaival közösen ért el, először számszerűsíti a pókháló teljes lineáris rugalmassági reakcióját, letesztelve a parányi feszültségbeli különbségeket a különálló szálak, elágazások és ragasztó foltok minden lehetséges deformációs típusára, lenyűgöző képet adva a természet egyik legérdekesebb szerkezetéről.
A csapat megállapította, hogy egy pókháló feszessége nem egységes, szálanként, keresztezési pontonként és ragasztásonként váltakozik, ami némileg meglepő volt egy olyan szerkezet esetén, ami elvileg egységes pókselyemből készül. A kutatók szerint mindez segíthet a hálónak dacolni az elemekkel, illetve a zsákmány csapdába ejtésekor az energia jobb elnyelését is szolgálja.
Egy másik meglepetés az összehúzódás vizsgálatánál érte a kutatókat. Magas nedvesség esetén - például esőben, vagy a reggeli harmatban - a pókselyem magába szívja a vizet, több mint felére húzva össze a szálakat, ami a víz által okozott molekuláris dezorganizáció következménye. A tudósok jó ideje vitáznak azon, miért kedvez a természet ennek a jelenségnek. Három magyarázat született. Van, aki szerint ez nem egy evolúciós jelenség, hanem egy mechanikai kényszer, ami a pókselyem molekuláris szerkezetéből adódik, és nincs hatása a háló teljesítményére. A második elmélet szerint az összehúzódás segít a póknak, hogy hálója megfeleljen a változó környezeti és szerkezeti követelményeknek. A harmadik verzió szerint az összehúzódás segít a háló megfeszítésében, megakadályozva, hogy a nehéz vízcseppek lehúzzák és ellehetetlenítsék a zsákmányszerzést.
Egészen mostanáig az utolsó elméletet nem lehetett tesztelni, mivel a kutatók nem tudták a teljes hálót vizsgálni. Koski módszerével azonban megmérték a pókselyem rugalmassági reakcióját összehúzódott állapotban, megállapítva, hogy a selyem, megvastagszik 100 százalék páratartalomnál, alátámasztva a megfeszülő háló hipotézist, ami kihathat az anyagtudományra is, mivel arra utal, hogy az összehúzódás segít a pókselyem tulajdonságainak kialakításában a fonás során a szálak húzásával és a víztartalom szabályzásával. "A mechanikai tulajdonságok pusztán a víztartalommal történő szabályzásának lehetősége rendkívül érdekes a biológiai inspirációjú mechanikai szerkezetek szemszögéből, és érdekes kutatási irányokhoz vezethet" - összegzett Koski.
A pókselyem gyakorlatilag egyedülálló, nyújthatjuk, hajlíthatjuk, eláztathatjuk, kiszáríthatjuk, állja a megpróbáltatásokat. Ötször erősebb az acélnál és eredeti hosszának közel háromszorosára nyújtható úgy, hogy utána eredeti állapotába ugrik vissza. Bár régóta tanulmányozzák, a tudománynak nem sok ismerete van a pókselyem megdöbbentő fizikájáról, az amerikai Stanford Egyetem egyik kutatója, Kristie Koski azonban most egy eddig kiaknázatlan spektroszkópiás technikával megpróbált fényt deríteni az anyag rejtélyeire.
A pókselyem teljes rugalmassági reakciója öt rugalmassági állandóval írható le, melyek meghatározzák a háló reagálását az erők bármilyen lehetséges kombinációjára -- húzásra, csavarásra, vagy bármilyen irányú vetemedésre. Az öt állandót még soha nem mérték egy érintetlen pókháló esetében, csupán egy-két állandót vizsgáltak a hálók egy-egy adott területén, ami olyan mintha néhány fémrúd egyenkénti tesztelésével szeretnénk felmérni egy híd erejét.
Kristie Koski
Koski meggyőződése, hogy a pókháló tulajdonságainak együttes megismerése a kulcs azokhoz a "biológiai inspirálású" anyagok fejlesztéséhez, melyek nem csupán lemásolják, de túl is szárnyalják a természetet. "A célom a pókselyem nanoszerkezetének tanulmányozása, hogy ne csupán a viselkedését ismerjem meg, hanem azt is, miért viselkedik ilyen példátlan módon, abban a reményben, hogy egy nap valaki jobb szálakat állít elő" - magyarázta Koski, aki a kutatáshoz egy régi, ugyanakkor közel egy évszázada mellőzött mérési technikát, a Brillouin spektroszkópiát alkalmazta.
A technikával egy lézerfényt irányítanak a pókselyemre, ami hanghullámokat generál a selyemben, a fény egy részét visszaverve a spektrométer felé, amit "szóródásnak" neveznek. "Egy kicsit olyan mintha egy hegedű húrjait pengetnénk, azonban fizikailag soha nem érintjük meg a húrt ahhoz, hogy megszólaltassuk" - tette hozzá.
A spektrométer a szórt fény parányi változásainak mérésével állapítja meg a vizsgált pókselyemben rejlő feszültséget. A Brillouin technika erőssége az adatok természetes helyükről származó begyűjtésének lehetőségében rejlik, beleértve a háló keresztezéseinek és ragasztó foltjainak mechanikai tulajdonságait is. Összességében egy nem invazív, nem destruktív technikáról beszélünk, amivel teljes egészében, egyetlen egységként vizsgálható egy pókháló. Az eddigi módszerekkel, melyek szakítással tesztelték a szálakat lehetetlen volt a mostanihoz hasonló, átfogó információ begyűjtése. "Nem kell hozzáérnünk a hálóhoz a méréshez" - összegzett Koski.
Eredménye, amit az egyetem anyagtudományi karának munkatársaival közösen ért el, először számszerűsíti a pókháló teljes lineáris rugalmassági reakcióját, letesztelve a parányi feszültségbeli különbségeket a különálló szálak, elágazások és ragasztó foltok minden lehetséges deformációs típusára, lenyűgöző képet adva a természet egyik legérdekesebb szerkezetéről.
A csapat megállapította, hogy egy pókháló feszessége nem egységes, szálanként, keresztezési pontonként és ragasztásonként váltakozik, ami némileg meglepő volt egy olyan szerkezet esetén, ami elvileg egységes pókselyemből készül. A kutatók szerint mindez segíthet a hálónak dacolni az elemekkel, illetve a zsákmány csapdába ejtésekor az energia jobb elnyelését is szolgálja.
Egy másik meglepetés az összehúzódás vizsgálatánál érte a kutatókat. Magas nedvesség esetén - például esőben, vagy a reggeli harmatban - a pókselyem magába szívja a vizet, több mint felére húzva össze a szálakat, ami a víz által okozott molekuláris dezorganizáció következménye. A tudósok jó ideje vitáznak azon, miért kedvez a természet ennek a jelenségnek. Három magyarázat született. Van, aki szerint ez nem egy evolúciós jelenség, hanem egy mechanikai kényszer, ami a pókselyem molekuláris szerkezetéből adódik, és nincs hatása a háló teljesítményére. A második elmélet szerint az összehúzódás segít a póknak, hogy hálója megfeleljen a változó környezeti és szerkezeti követelményeknek. A harmadik verzió szerint az összehúzódás segít a háló megfeszítésében, megakadályozva, hogy a nehéz vízcseppek lehúzzák és ellehetetlenítsék a zsákmányszerzést.
Egészen mostanáig az utolsó elméletet nem lehetett tesztelni, mivel a kutatók nem tudták a teljes hálót vizsgálni. Koski módszerével azonban megmérték a pókselyem rugalmassági reakcióját összehúzódott állapotban, megállapítva, hogy a selyem, megvastagszik 100 százalék páratartalomnál, alátámasztva a megfeszülő háló hipotézist, ami kihathat az anyagtudományra is, mivel arra utal, hogy az összehúzódás segít a pókselyem tulajdonságainak kialakításában a fonás során a szálak húzásával és a víztartalom szabályzásával. "A mechanikai tulajdonságok pusztán a víztartalommal történő szabályzásának lehetősége rendkívül érdekes a biológiai inspirációjú mechanikai szerkezetek szemszögéből, és érdekes kutatási irányokhoz vezethet" - összegzett Koski.