حرير العنكبوت

حرير العنكبوت : هي ألياف يغزلها العنكبوت. وهي مواد قوية بشكل ملحوظ. وتقارن مقاومة الشد لحرير العنكبوت بتلك للفولاذ عالي المتانة. كبل من حرير العنكبوت يتمتع بمقاومة شد حوالي (1.3 GPa)، بينما ينص أحد المصادر على أن مقاومة الشد لكبل من الفولاذ المماثل تبلغ (1.65 GPa). ولكن حرير العنكبوت أقل كثافة من الفولاذ، ونسبة مقاومة الشد إلى الكثافة أكبر بخمس أضعاف منها للفولاذ (هذا يعني أن حرير العنكبوت أقوى بخمس أضعاف نفس الوزن من الفولاذ، فهو بقوة ألياف الأراميد، مثل توارون أو كيفلر). وللأخذ بالعلم، فإن وزن سلك من حرير العنكبوت يكفي ليحيط الكرة الأرضية لن يزيد عن (450 غ).

 خصائص خيوط العنكبوت 
خيوط العنكبوت ليست مجرد ألياف عادية، بل لها بنية معقدة تجعلها قوية ومرنة في نفس الوقت. تتكون بشكل أساسي من بنية بروتين أولية يسمى سبايدروين يحتوي على سلاسل متكررة من الأحماض الأمينية مثل الجلايسين والألانين، ما يشبه تركيب الكتل المتكررة في البلوكات الكيميائية.على المستوى النانوي توجد أجزاء صلبة بلورية تسمى صفائح بيتا وهي تتكون أساسًا من الألانينبينما يُوجد الجلايسين في مناطق أكثر ليونة ومرونة. التفاعل بين هذه الأجزاء الصلبة والمرنة هو ما يمنح خيوط العنكبوت خصائصها المدهشة من حيث القوة والتمدد ولتعزيز هذه الخيوط، تحتوي أيضًا على مركبات كيميائية أخرى. فمثلاً، البيروليدين يساعد على الحفاظ على رطوبة الخيط ويمنع النمل من الاقتراب وفوسفات البوتاسيوم الهيدروجيني يجعل الخيط حمضيًا قليلًا ليحميه من الفطريات والبكتيريا بينما يُعتقد أن نترات البوتاسيوم تمنع البروتين من التلف في البيئة الحمضية.

في عام 1994، قدّم ترمونيّا نموذجًا أساسيًا لهيكل خيوط العنكبوت. اقترح أن الخيوط تتكون من مناطق بلورية صغيرة مدمجة داخل مصفوفة غير منتظمة ترتبط ببعضها عبر روابط هيدروجينية. لاحقًا تم تحسين هذا النموذج بعد اكتشاف مناطق نصف بلوريةواقتُرح نموذج يُشبه الجلد والنواة يوضح بنية الخيط من الداخل إلى الخارج. هذا النموذج أصبح ممكنًا رؤيته بواسطة تقنيات دقيقة مثل المجهر الذري والقوة الماصة والمجهر الإلكتروني الناقل. كما كشفت تجارب التشتت بالنيوترونات عن حجم التركيب النانوي للمصفوفة البلورية ونصف البلورية.

تُظهر الدراسات أن الخصائص الميكانيكية الكبيرة للخيوط مرتبطة ببنيتها الدقيقة. فالمناطق المنظمة داخل الخيط (البلورات الصغيرة) تتحرك وتعيد ترتيب نفسها عند شد الخيط قليلًا ومع زيادة الشد يزداد عدد هذه المناطق المنظمة تدريجيًا، مما يزيد قوة ومرونة الخيط.

تخيل شبكة عنكبوت على شكل دائرة هندسية دقيقة، تسمى شبكة "أورب" (Orb web). في هذه الشبكة، هناك خطوط حمراء تمثل الخطوط الأساسية: خط السحب (dragline)، الخطوط الشعاعية (radial lines)، وإطار الشبكة (frame lines)، وهي بمثابة الأعمدة والدعائم التي تعطي الشبكة قوتها وصلابتها.ثم هناك خطوط زرقاء تشكّل اللولب أو الدوامة (spiral line) التي تلتف حول المركز، والذي يسمى المحور (hub). على هذه الخطوط الزرقاء توجد كرات لزجة صغيرة، تصنعها الغدد الخاصة بالعنكبوت لتلتصق بالفريسة عند ملامستها. أما المادة اللاصقة لتثبيت الخطوط ببعضها، فتفرزها غدة أخرى تُسمى الغدة البيريفورمية (piriform gland).

على المستوى المجهري، كل خط من خيوط الحرير عبارة عن بروتين يسمى سبيدروين (spidroin)، مُرتّب بطريقة ذكية جدًا.

 في خطوط السحب والخطوط الشعاعية، تتداخل صفائح بيتا البلورية (β-sheets) مع الهيليكس غير المنتظم (amorphous helix)، ما يعطي الحرير مزيجًا من القوة والمرونة.
 الجزء الملتف أو الحلزوني من الشبكة (spiral line) لا يحتوي على هذه الصفائح البلورية، لذلك يكون أكثر ليونة وتمددًا ليلتقط الحشرات.

الحرير نفسه يتكون من نوعين رئيسيين من البروتينات: MaSp1 وMaSp2، وهذه البروتينات تمنح شبكة العنكبوت قوة تحمل عالية ومرونة مدهشة، بحيث تتحمل صدمات الحشرات الممسوكة دون أن تنقطع بسهولة.
لاإطار|810x810بك
لكل عنكبوت ولكل نوع من الحرير خصائص ميكانيكية فريدة تناسب وظيفته في الطبيعة. أغلب خيوط الحرير، وبالأخص خيوط السحب (dragline silk)، تتمتع بقوة استثنائية ومرونة عالية في الوقت نفسه. هذا المزيج الفريد يجعل الخيط قادرًا على امتصاص كمية كبيرة من الطاقة قبل أن ينقطع، وهي خاصية تُعرف بـ الصلابة (toughness)، أي مدى قدرة المادة على التحمل قبل الانكسار.

 القوة والصلابة ليستا الشيء نفسه. وزنًا مقابل وزن، خيوط العنكبوت أقوى من الحديد، لكنها ليست بنفس قوة الكيفلار (Kevlar)، ومع ذلك، فإن خيوط العنكبوت أكثر صلابة وتحملًا للطاقة قبل الانكسار من كلاهما. 
تختلف الخصائص الميكانيكية لخيوط العنكبوت بحسب ترتيب جزيئاتها، كما تتأثر بالظروف المحيطة مثل الرطوبة ودرجة الحرارة.

أما معامل يونغ (Young's modulus)، فهو مقياس لمقاومة المادة للتشوه عند الشد. على عكس الحديد أو الكيفلار الذي يتميزان بالصلابة فإن خيوط العنكبوت مرنة ولينة أي أنها قابلة للتمدد والارتداد بسهولة وتملك معامل يونغ منخفض نسبيًا على سبيل المثال، خيط عنكبوت Ariadna lateralis يتمتع بأعلى معامل يونغ بين أنواع العناكب، ويبلغ 37 جيجا باسكال، مقارنة بـ208 جيجا باسكال للحديد و112 جيجا باسكال للكيفلار.

 قوة الشد 
تتمتع خيوط السحب (Dragline silk) بقوة شد مشابهة لقوة الفولاذ عالي الجودة، حيث تتراوح بين 450 و2000 ميجا باسكال. وهي تقريبًا نصف قوة ألياف الأراميد مثل Twaron أو Kevlar، التي تصل قوتها إلى حوالي 3000 ميجا باسكال.

وفقًا لقاعدة بيانات Spider Silkome، فإن خيط عنكبوت Clubiona vigil يتمتع بأعلى قوة شد بين أنواع خيوط العناكب المعروفة

 الكثافة 
خيوط العنكبوت مصنوعة أساسًا من البروتين وتبلغ كثافتها حوالي سدس كثافة الفولاذ تقريبًا (1.3 غ/سم³). ونتيجة لذلك، لو امتد خيط من هذا الحرير ليحيط بالأرض بالكامل فسيزن حوالي كيلوجرام من فقط (4.4 رطل).

على الرغم من أن قوة الشد لخيط السحب عند العنكبوت تبلغ حوالي 1.3 جيجا باسكال، وهي أقل قليلًا من قوة الشد للفولاذ (حوالي 1.65 جيجا باسكال)، إلا أن كثافة خيط العنكبوت أقل بكثير، ما يعني أن الوزن نفسه من خيط العنكبوت أقوى خمس مرات من نفس وزن الفولاذ.

 كثافة الطاقة 
خيوط السحب عند العنكبوت تستطيع تخزين طاقة كبيرة بالنسبة لحجمها، فـ كثافة الطاقة لخيط السحب تقارب 1.2 × 10^8 جول لكل متر مكعب.

المتانة

تجمع خيوط العنكبوت بين القوة والمرونة، مما يمنحها متانة عالية جدًا، أي قدرتها على امتصاص طاقة كبيرة قبل الانكسار. هذه المتانة تضاهي تلك الموجودة في ألياف النايلون العطري الصناعي (polyaramid)، والتي تُعتبر معيارًا في تكنولوجيا الألياف الحديثة. وفقًا لقاعدة بيانات Spider Silkome، فإن خيوط عنكبوت Araneus ishisawai هي الأكثر متانة بين جميع أنواع خيوط العنكبوت

 المراجع 

تصنيف:ألياف نسيج طبيعية
تصنيف:تشريح العنكبوت
تصنيف:حرير
تصنيف:علم الحشرات
تصنيف:علم المواد
تصنيف:متعددات الأميد
تصنيف:منتجات غدية حيوانية