Cum îşi dobândesc pânzele de păianjen rezistenţa? Nu este vorba doar de puterea mătăsii în sine, constată un nou studiu; modul mătăsii de a se întinde şi chiar întreaga structură a pânzei de păianjen contribuie la rezistenţa împotriva deteriorărilor.
Mătasea pe care păianjenii o folosesc pentru a-şi construi pânzele, pentru a prinde prada şi pentru a se legăna de tavanul tău este unul dintre cele mai puternice materiale cunoscute. Dar se dovedeşte că nu pur şi simplu excepţionala putere a materialului este cea care face pânza de păianjen atât de rezistentă, ci combinaţia neobişnuită de rezistenţă şi întindere a materialului – modul caracteristic mătăsii de a se înmuia mai întâi după care de a se rigidiza când este întinsă. Oamenii de ştiinţă au descoperit că aceste proprietăţi variază în funcţie de forţele aplicate, precum şi de designul de ansamblu al pânzei de păianjen.
Markus Buehler, un profesor asociat de ingineria civilă şi de mediu (CEE) de la MIT, a analizat în prealabil structura complexă, ierarhică a mătasei de păianjen şi a puterii sale uimitoare – făcând o comparaţie între două mase egale, mătasea de păianjen este mai puternică decât oţelul. Acum, Buehler şi colegii săi au aplicat cercetările lor asupra structurii pânzei de păianjen însăşi, găsind dovezi ale proprietăţilor ce care fac pânză de păianjen atât de elastică şi au asociat aceste proprietăţi cu structura moleculară a fibrelor de mătase.
Lecţiile învăţate de la aceste cercetări, spune Buehler , ar putea nu numai ajuta la dezvoltarea de materiale sintetice mult mai rezistente la deteriorări, dar ar putea oferi, de asemenea, principii de design care s-ar putea aplica la sistemele de reţea, cum ar fi Internetul sau reţeaua electrică.
Un document care descrie noile descoperiri este publicat în această săptămână în Nature. În plus faţă de studiul lui Buehler, acest document a fost efectuat de către absolvenţii CEE Steven Cranford şi Tarakanova Anna, alături de Pugno Nicola de la Politecnico di Torino, din Italia.
Se pare că o proprietate cheie a mătăsii de păianjen, care ajută la crearea pânzelor rezistente, este ceva considerat anterior o slăbiciune: modul în care se poate întinde şi înmuia la început atunci când este întinsă, pentru ca apoi să se întărească din nou, pe măsură ce forţa de întindere aplicată creşte.
Acest răspuns de rigidizare este crucial pentru modul în care mătasea de păianjen rezistă daunelor. Buehler şi echipa sa au analizat modul în care materialele cu proprietăţi diferite, aranjate în acelaşi model de pânză de păianjen, răspund la o presiune focalizată. Ei au descoperit că materialele cu alte răspunsuri - cele care se comportă fie ca un arc drept, simplu când sunt întinse, sau cele care încep prin a se comporta elastic, iar mai apoi să devină mai " plastice" - sunt mult mai puţin eficiente.
Pânzele de păianjen, se pare, pot îndura pe deplin o lovitură fără să se strice. Deteriorarea tinde să fie restrânsă într-un singur loc, afectând doar câteva fire - locul în care o insectă a fost prinsă în pânză şi în jurul acesteia, de exemplu. Această deteriorare restrânsă poate fi pur şi simplu reparată, mai degrabă decât înlocuită, sau chiar lăsată aşa dacă pânza continuă să funcţioneze ca şi înainte. "Chiar dacă are o mulţime de defecte, pânza, de fapt, continuă să funcţioneze mecanic şi practic în acelaşi fel", spune Buehler. "Este un sistem foarte tolerant la defecte.”
Cercetarea lui Buehler este în cea mai mare parte teoretică, bazată pe modelarea pe calculator a proprietăţilor materialelor şi modul în care acestea răspund la presiuni. Dar în acest caz, pentru a testa constatările, el şi echipa sa au folosit literalmente domeniul activităţii : ei au testat, practic, pânzele de păianjen prin înţeparea şi ruperea lor. În toate cazurile, deteriorarea a fost limitată la zona din apropierea locului deranjat.
Efectul a fost oarecum surprinzător, spune Buehler: răspunsul iniţial a fost o deformare a întregii pânze, de vreme ce firele sunt iniţial relativ uşor de deformat. Dar apoi, din cauza răspunsului neliniar al fibrelor, numai firele unde s-a aplicat forţă au suportat greutatea - prin întindere, mai apoi redevenind rigide. Pe măsură ce forţa a crescut, în cele din urmă s-au rupt.
"Indiferent de unde trageţi, pânza va ceda întotdeauna exact în acea locaţie", spune Buehler. Oricine poate încerca acest experiment simplu, adăugă el: Pur şi simplu smulgeţi un fir de mătase de la o pânză de păianjen şi ar trebui să se rupă numai în locul în care este tras. Într-o pânză făcută dintr-un material cu un răspuns mai unitar la întindere, prin contrast, presiunea locală provoacă pagube mult mai răspândite.
Într-un vânt puternic, pe de altă parte, rigiditatea iniţială a mătăsii este cea care ajută la supravieţuirea unei pânze. Pânza în simularea lui Buehler a fost capabilă de a tolera vânturi de până la puterea unui uragan înainte de a se rupe.
Inginerii tind să se concentreze asupra materialelor cu răspunsuri uniforme, liniare, spune Buehler, pentru că proprietăţile lor sunt mult mai uşor de calculat. Dar acest studiu sugerează că ar putea exista avantaje importante ale materialelor cu răspunsuri mult mai complexe. În răspunsurile neobişnuite ale mătăsii de păianjen, de exemplu - iniţial rigid, apoi elastic, apoi rigid din nou - "fiecare bucăţică a acelui comportament amuzant are un rol fundamental în a face pânza tot atât de puternică”, spune el. Materialele cu aceeaşi tărie finală, măsurată după punctul de rupere a acestora, adesea se comportă foarte diferit în aplicaţiile din lumea reală. "Puterea efectivă nu este atât de importantă, ceea ce e important este cum ai ajuns acolo", spune el.
Principiul de bază în a permite daunele restrânse, astfel încât o structură generală să poată supravieţui, spune Buehler, ar putea ajunge să îi ghideze pe inginerii constructori. De exemplu, clădirile rezistente la cutremure sunt, în general, concepute pentru a proteja întreaga clădire prin disiparea energiei, reducând sarcina pe structură. Atunci când acestea cedează, ele tind să facă acest lucru în întregime.
Un nou design ar putea permite cădirilor să se flexeze până la un punct, iar apoi anumite elemente structurale s-ar putea rupe primele, permiţând restului structurii să supravieţuiască; acest lucru ar putea permite clădirilor ca în ultimă instanţă să poată fi reparate, mai degrabă decât demolate. Principii similare s-ar putea aplica la proiectarea aeronavelor sau vehiculelor blindate care ar putea rezista daunelor locale şi ar continua funcţionarea.
Astfel de "elemente de sacrificiu" s-ar putea să nu fie utilizate doar pentru obiecte fizice, cât, de asemenea, în proiectarea sistemelor de reţea: de exemplu, un computer ce s-ar confrunta cu un atac al unui virus ar putea fi conceput astfel încât să se închidă imediat, înainte ca problemele sale să se propage. Apoi, într-o zi World Wide Web-ul ar putea fi practic consolidat datorită lecţiilor învăţate de la versiunea de grădină ce îi inspira numele (web = pânză).
"Este o şansă reală", spune Buehler. "Se deschide o nouă variantă de design pentru inginerie."
David Kaplan, un profesor de inginerie de la Universitatea Tufts şi director al Centrului său de Inginerie Biologică, numeşte aceste constatări ”destul de captivante”. El spune: "combinaţia de modelare şi experiment face acest lucru deosebit de atractiv precum o platformă de studiu şi cercetare în designul materialelor şi a modurilor de defecţiune în general, cu ierarhia structurală în minte. "
"Aceste principii, cred, vor avea un impact într-o gamă variată de domenii, cum ar fi medicamente, materiale viitoare şi arhitectură", adaugă Philip Leduc, un profesor de inginerie mecanică de la Universitatea Carnegie Mellon.
Aceste lucrări şi studii au fost susţinute de către Biroul de Cercetări Navale, Fundaţia Naţională de Ştiinţă, Oficiului de Cercetare a Armatei şi Programul MIT-Italia.
Articolul reprezintă traducerea articolului How spider webs achieve their strength, publicat pe site-ul web.mit.edu.
Traducere: Anamaria Spătaru
