A kötél hálója

A kötél hálója

Dmitrij Bagrov
"Kvant" №4, 2010

Mindenki könnyedén elrejti a pókhálókat, amelyek a fák ágai között vagy a mennyezet alatt helyezkednek el a szoba túlsó sarkában. De kevesen tudják, hogy ha a pókháló vastagsága 1 mm, akkor ellenállna a súlya körülbelül 200 kg. Az azonos átmérőjű acélhuzal jóval kisebb marad: 30-100 kg, az acél típusától függően. Miért van ilyen kivételes tulajdonsága a weben?

Néhány pók hétféle szálat indítanak el, amelyek mindegyikének saját célja van. A szálakat nemcsak a zsákmány fogására, hanem a gubók és ejtőernyősök építésére is felhasználhatják (a szélben a pókok el tudnak menekülni hirtelen fenyegetéstől, és így a fiatal pókok új területekre telepedhetnek). A web minden egyes típusát speciális mirigyek készítik.

A zsákmányt fogó háló többféle típusú filamentumból áll (1. ábra): keret, sugárirányú, csapdázó és kiegészítő. A tudósok legnagyobb érdeke egy keretszál: nagy ereje és nagy rugalmassága van – ez a tulajdonságok kombinációja egyedülálló. A végső feszültség a réskeret fonal pók Araneus diadematus 1,1-2,7.Összehasonlításképpen: az acél szakítószilárdsága 0,4-1,5 GPa, az emberi haj – 0,25 GPa. Ugyanakkor a vázszál 30-35% -kal nyúlik ki, és a legtöbb fém ellenáll a 10-20% -os deformációnak.

Ábra. 1. Különféle szálak a szövedék összetételében: a csontváz a legtartósabb, az egész webet egészében tartja; a radiál szál vékony és nem ragadós, támogatja a ragadós horgászcet; egy segéd hélix segíti a halászhuzal helyzetét. Kép: "Quant"

Képzeljen el egy repülő rovarot, amely egy feszített szöveget talál. Ebben az esetben a hálószálnak úgy kell megnyúlnia, hogy a repülő rovar kinetikus energiája hővé váljon. Ha a web a kapott energiát a rugalmas alakváltozás energiája formájában tárolja, akkor a rovar a webről visszaszáll, például egy trambulinból. A web fontos tulajdonsága, hogy rendkívül nagy mennyiségű hőt bocsát ki a gyors nyújtás és az ezt követő csökkentés során: a térfogategységben felszabaduló energia több mint 150 MJ / m3 (acél bocsát ki – 6 MJ / m3). Ez lehetővé teszi a web számára, hogy hatékonyan eloszlassa az ütközés energiáját, és ne nyúljon túlságosan, amikor az áldozat beleesik.Pókháló vagy hasonló tulajdonságú polimerek lehetnek ideálisak a könnyű testpáncélhoz.

A népgyógyászatban van egy recept: egy seb vagy kopás a vér leállításához, akkor csatolhatja a szöveget, gyengéden tisztítva azt rovaroktól és apró gallyakkal. Kiderült, hogy a web hemostatikus hatású és gyorsítja a sérült bőr gyógyulását. A sebészek és a transzplantológusok ezt használhatják anyagként varrásként, erősítik az implantátumokat, sőt mesterséges szervek számára is. A web segítségével jelentősen javítható az orvostudományban jelenleg használt különböző anyagok mechanikai tulajdonságai.

Tehát a web – szokatlan és nagyon ígéretes anyag. Milyen molekuláris mechanizmusok felelősek kivételes tulajdonságaiért?

Régen arra használjuk, hogy a molekulák rendkívül kicsi tárgyak. Ez azonban nem mindig így van: körülöttünk olyan széles körben elterjedt polimerek tartoznak, amelyek hosszú molekulákból állnak, amelyek azonos vagy hasonló kapcsolatokat tartalmaznak egymással. Mindenki tudja, hogy egy élő szervezet genetikai információját hosszú DNS-molekulákban rögzítik.Mindegyik hosszú, összefonódott polietilén molekulákból álló műanyag tasakokat tartott. A polimer molekulák hatalmas méreteket érhetnek el.

Például egy humán DNS-molekula tömege körülbelül 1,9 | 1012 amu (Ez azonban megközelítőleg százmilliárdszor nagyobb a vízmolekula tömegénél), az egyes molekulák hossza néhány centiméter, és az összes humán DNS-molekula teljes hossza eléri a 1011 km.

A természetes polimerek legfontosabb osztályai a fehérjék, aminosavakból álló egységekből állnak. A különböző fehérjék rendkívül eltérő funkciókat töltenek be az élő szervezetekben: kémiai reakciókat vezérelnek, építőanyagként használják, védelemre stb.

Ábra. 2. Spidroin molekula és a rostban való elhelyezése. Kép: "Quant"

A webkeret-szál két fehérjéből áll, amelyeket az 1. és a 2. spidroin-ből (az angolból pók pók). A spidroinek hosszú molekulák, amelyek tömege 120000-720000 amu. A spidroinok aminosavszekvenciája különböző pókokban különbözhet egymástól, de az összes spidroin közös tulajdonságokkal rendelkezik. Ha mentálisan egy hosszú molekulát spidroint húzasz egyenes vonalban, és megnézzük az aminosavak sorrendjét, kiderül, hogyhogy az ismétlődő szakaszokból áll, amelyek hasonlóak egymáshoz (2. A molekulák két típusa váltakozik: viszonylag hidrofil (azok, amelyek energetikailag előnyösek a vízmolekulákkal való érintkezésben) és viszonylag hidrofób (azok, amelyek elkerülik a vízzel való érintkezést). Az egyes molekulák végein két nem ismétlődő hidrofil hely van, és a hidrofób helyek az alanin aminosav sok ismétlődéséből állnak.

Hosszú molekulát (például fehérjét, DNS-t, szintetikus polimert) lehet ábrázolni, mint összeomlott kusza kötél. A nyúlás nem nehéz, mert a molekulán belüli hurok megrepedhet, viszonylag kevés erőfeszítést igényel. Egyes polimerek (pl. Gumi) a kezdeti hosszuk 500% -ával nyúlhatnak. Tehát nem meglepő, hogy a web (hosszú molekulákból álló anyag) a fémeknél jobban deformálódik.

Hol származik a web erőssége?

Ennek megértéséhez fontos, hogy kövessük a szálképző folyamatot. A pókmirigy belsejében a spidroinek koncentrált oldatként halmozódnak fel.Az izzó kialakulásakor ez a megoldás keskeny csatornán keresztül hagyja el a mirigyet, ez hozzájárul a molekulák nyújtásához és orientációjához az extrakció irányában, és a megfelelő kémiai változások a molekulák összeragasztásához vezetnek. Az alaninokat tartalmazó molekulák fragmensei összekapcsolódnak és egy kristályt alkotó rendezett struktúrát képeznek (3. Egy ilyen struktúra belsejében a töredékeket egymással párhuzamosan helyezik el és hidrogénkötések kapcsolják össze. Ezeket a területeket összekapcsolják egymással, és biztosítják a szál erősségét. Az ilyen sűrűn csomagolt molekulák régiója jellemzően több nanométer. A körülötte elhelyezkedő hidrofil területek rendezetlenek, csomózott kötélként vannak feltekercselve, kiegyenesíthetők és így nyújthatják a szövedéket.

Ábra. 3. Rekombináns webfehérje, amely speciális struktúrákat képes kialakítani – a legvékonyabb, 3-5 nm átmérőjű szálakat. Kép: "Quant"

Számos összetett anyag, például erősített műanyag, ugyanolyan elven alapul, mint a csontváz: egy viszonylag lágy és mozgatható mátrix, amely lehetővé teszi a deformálódást, vannak olyan kis szilárd felületek, amelyek az anyagot tartósítják.Annak ellenére, hogy az anyagtudósok már régóta dolgoznak hasonló rendszerekkel, az ember által gyártott kompozitok csak az interneten kezdik megközelíteni tulajdonságaikat.

Érdekes, hogy amikor a web nedves lesz, nagymértékben csökken (ezt a jelenséget supercontrakciónak hívják). Ez azért van így, mert a vízmolekulák behatolnak a szálba, és a rendezetlen hidrofil területek mozgékonyabbá válnak. Ha a pókháló fel van feszítve, és rovaroktól süllyed, akkor nedves vagy esős napon megegyezik és ezzel egyidejűleg visszanyeri alakját.

Azt is megjegyezzük, egy érdekes tulajdonsága a szálképzés. A pók a saját súlya alá húzza a szövedéket, de a létrejövő szövedék (a cérnaátmérő körülbelül 1-10 mikron) általában lehetővé teszi, hogy ellenálljon a pók tömegének hatszorosa tömegének. Ha megnöveli a pók súlyát, centrifugával forgatja el, elkezdi a vastagabb és tartósabb, de kevésbé merev szövedék elosztását.

Amikor a web használatára kerül sor, felmerül a kérdés, hogyan kell ipari mennyiségekben beszerezni. A világon vannak olyan létesítmények, amelyek a pókok "fejéséért" vannak, amelyek a szálakat húzzák, és speciális tekercsekre fújják.Azonban ez a módszer nem hatékony: 500 gramm felhalmozására 27 000 közepes pókra van szükség. És itt jön a kutatók biomérnöke. A modern technológiák lehetővé teszik a web-fehérjéket kódoló gének bejuttatását különböző élő szervezetbe, például baktériumokba vagy élesztőkbe. Ezek a génmódosított szervezetek a mesterséges web forrásává válnak. A géntechnológiával nyert fehérjéket rekombinánsnak nevezik. Megjegyezzük, hogy általában a rekombináns spidroinek sokkal kevésbé természetesek, de a molekula szerkezete (a hidrofil és hidrofób régiók váltakozása) változatlan marad.

Meg van győződve arról, hogy a mesterséges web tulajdonságai nem lehetnek rosszabbak, mint a természetes, és gyakorlati felhasználását tartós és környezetbarát anyagként fogja fel. Oroszországban a web tulajdonságainak kutatását több intézmény különböző kutatócsoportjai közösen végzik. A rekombináns szövedék előállítását az Állami Genetikai Kutató Intézetben és az Ipari Mikroorganizmusok Kiválasztásában végzik, a fehérjék fizikai és kémiai tulajdonságait a Biomérnöki Tanszéken, a Moszkvai Állami Egyetem Biológiai Karán vizsgálják. MVLomonosov, az orosz pókfehérjékből készült termékeket az Orosz Tudományos Akadémia Bioorganikus Kémiai Intézetén alakítják ki, orvosi alkalmazásukat a Transzplantációs Intézetben és mesterséges szervekben végzik.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: