Mnoga dostignuća koja su predstavljena u ovoj rubrici u međuvremenu su prešla put od laboratorijskih istraživanja do industrijske proizvodnje i šire primene u građevinarstvu današnjice.
Ovo je priča o materijalu koji bi za nekoliko decenija mogao da načini veću revoluciju u građevinarstvu nego što je to bio slučaj sa armiranim betonom ili čeličnim konstrukcijama, pa čak i kao što će to možda biti slučaj sa primenom polimera.
Ono što ovaj materijal čini izuzetnim, pored njegovih fizilčko-mehaničkih karakteristika, jeste njegovo organsko poreklo – reč je o paukovoj niti.
Jačina i elastičnost niti paučine već decenijama zaokuplja pažnju mnogih svetskih laboratorija koje pokušavaju da pronađu način za industrijsku proizvodnju ovog materijala. Možda najslikovitiji prikaz o kakvom se materijalu govori dolazi od istraživača iz čuvene hemijske kompanije BASF: kada sledeći put vidite muvu kako uleće, i ostaje zarobljena, u paukovoj mreži, setite se da ne postoji materijal koji smo do sada uspeli da napravimo u laboratoriji, a koji ne bi imao poražavajuće rezultate na jednom ovakvom testu.
Pet puta jača i nekoliko puta lakša od čelika (paukova nit koja bi obmotala Zemlju po Ekvatoru bila bi teška svega 450gr), čvršća i od kevlara, uz procenat rastegljivosti i preko 40%, nit paukova prepoznata je kao budućnost u mnogim granama industrije.
Naravno, kao i obično, najzainteresovanija je vojska koja želi da proizvodi pancire za pešadiju i oklope za oruđa, kanape za padobrane (posebno za desantno iskrcavanje teške artiljerije i oklopnih jedinica iz vazduha), kablove za poletno-sletne manevre na nosačima aviona gde je svaki metar piste dragocen…
Materijal ovakvih osobina bio bi idealan i za biorazgradive ribarske mreže i najlone (u oblasti Polinezije domoroci već vekovima koriste nit jedne vrste paukova u ove svrhe). Medicina je zainteresovana za izradu konaca, proteza, pa čak i ligamenata… Zapravo, teško da postoji grana industrije gde jedan ovakav materijal ne bi našao svoju primenu.
Međutim, isto tako je teško da postoji grana industrije koja bi doživela revoluciju takvih razmera kakav bi to slučaj bio sa građevinom. Sve procene govore o tome da će infrastrukturni objekti uzimati veliki udeo u ovoj delatnosti u XXI veku. Mogućnosti za primenu materijala ovakvih karakteristika biće brojne: izrada vlakana za geosintetiku, kablova za mostove, nosećih kablova za distribuciju energije… Ništa kraći spisak primene nije ni za visokogradnju: kablovi za liftove, utege, rešetke, itd. Tu su takođe i trake i sajle za građevinsku mehanizaciju, kablovi za prednaprezanje, ojačanje i impregnacija konstrukcija…
Ideje su tu, ali šta je potrebno da se bismo ih ostvarili? Svakako da će građevinarstvo, zbog količine neophodne sirovine, biti među poslednjim granama koje će imati privilegiju da koristi jedan ovakav materijal. Ipak, čini se da će druge delatnosti možda već tokom sledeće decenije započeti sa njegovom primenom…
Za čim tragamo?
Paukovi proizvode sedam vrsta niti zavisno od namene, ali naučnici su posebno zainteresovani za onu od koje četvrtina svih pauka (oko 10.000 vrsta) pravi mreže karakteričnih koncentričnih poliugaugaonih struktura. Istu ovu vrstu niti koriste i za kretanje (spuštanje sa grane ili plafona, itd).
Svaka paukova nit sastoji se od prepleta zasebnih vlakana, a svaki od njih se sastoji od lanca proteinskih molekula koji stvaraju duge nizove proteina – aminokiseline. Nema ništa posebno u tome, bezmalo sve aminokiseline sastoje se od proteina, ali su oni kod niti paukova organizovani na poseban način. Govori se o kombinaciji dve vrste strukture proteina: rebraste ploče koji mu daju mehaničku čvrstoću i spirale koje su zaslužne za rastegljivost.
Ukoliko je sve tako jednostavno zašto nismo u stanju da napravimo istu smesu u laboratoriji? Odgovor smo pomenuli u tekstu o biomimikriji: nekoliko miliona godina evolucije nije lako kopirati – po tvrdnjama naučnika paukova nit ima suštinski nepromenjen sastav već 125 miliona godina. Pronalažena je u ćilibaru iz doba Jure, a preživela je i sve klimatske promene do danas, bez potrebe za dodatnim prilagođavanjima. Nekoliko decenija u laboratoriji ipak se teško mogu meriti sa tim, bar za sad.
Najstariji za sada pronađen fosil paukove niti otkriven je u ćilibaru iz doba donje krede i njegova starost se procenjuje na oko 140 miliona godina - više čitajte na ovom linku: http://www.srbijanet.rs/tehnologija/nauka/34669-pronadjen-fosil-najstarije-paukove-mreze.html.
Prvi koraci ka industrijskoj proizvodnji
Vrlo brzo se odustalo od ideje pravljenja farmi paukova sa kojih bi se ubirale veće količine niti jer su oni mahom kanibalistički nastrojeni i takva farma bi bila neodrživa. Sa druge strane, za laboratorijsku proizvodnju proteina neophodne su ćelije u koje se implementira gen željenog proteina. U ovu svrhu se uobičajeno koriste ćelije bakterija, međutim, dva proteina koja čine paukovu nit prevelika su za pohranjivanje u ćelijama bakterija pa su za ovu svrhu upotrebljeni sisari.
Biotehnološka kompanija Nexia Biotechnology, Kvebek, Kanada, objavila je još 2002. godine da je uspela da proizvede upravo ovu vrstu niti metodom implementacije paukovih gena u ćelije krava i hrčaka. Ove vrste su pogodne jer proizvode velike količine proteina koje se lako mogu ubirati iz mleka (još tada je zamišljen plan po kome bi ovi geni bili implementirani u koze).
Početkom 90-ih dr. Randolph Lewis sa Univerziteta u Vajomingu uspeo je da definiše dve potrebne vrste proteina, ali tokom naredne decenije svi pokušaji proizvodnje bili su neuspešni. U eksperimentima 2002. godine on je koristio skrećenu verziju jednog od dva gena koji čine paukove niti (ADF-3), jer je veličina proteina predstavljala problem i za ćelije sisara.
Zatim je prva količina proteina prikupljena iz mleka poslata mikrobiologu Steven Arcidiacono-u iz vojno-istraživačkog centra vazdušnih snaga u Masačusetsu, SAD, gde je razvijena tehnika formiranja vlakna. Proteini su iz posebnog šprica istiskivani kroz otvor nešto manjeg prečnika od preseka vlati kose. Dobijena su vlakna debljine 40 mikrona.
Ovako dobijena nit bila je tri puta elastičnija, ali ne i jaka, kao paukova. Ipak, ovaj eksperiment predstavljao je ubedljivo najbolji pokušaj do tada. Najveću nedoumicu izazivala je činjenica da je ovo vlakno bilo nešto većeg prečnika od uobičajenog paukovog, pa opet nije imalo istu jačinu.
Značajan korak napred bilo je i saznanje da proteini dobijeni u mleku sisara ne menjaju strukturu u kontaktu sa vodom. Da bi se ovo postiglo u ovu svrhu obično moraju da se koriste veoma otrovne hemikalije, tako da ovaj proces omogućava prirodnu proizvodnju po rečima učesnika (ako se uopšte o prirodnosti može govoriti).
Gde smo danas?
Šest godina nakon ovog eksperimenta, februara 2008, dr. Lewis i njegov tim u saradnji sa vojnom laboratorijom u Masačusetsu, već su objavili da proizvode protein u kozijem mleku, kao što je i bilo najavljeno. Najnovije dobijene niti posedovale su odlične mehaničke karakteristike, lakoću i elastičnost. Dr. Lewis je tada potvrdio da proizvode 15 vrsta niti i da se uveliko radi na usavršavanju načina njihovog formiranja iz proteina ubranih u kozijem mleku.
Da biste napravili pancirni prsluk nešto teži od dva kilograma, potrebno vam je 2,3 hektolitra kozijeg mleka sa ovom vrstom proteina. To znači da je dnevna proizvodnja mleka koju dobijete od 200 koza dovoljna samo za jedan pancirni prsluk – kaže dr. Lewis u članku o rezultatima svojih istraživanja – Ovako dobijen prsluk koštao bi dva puta više od kevlarskog.
Međutim, poznato je da vojni budžet SAD može da se meri sa kasama čitavih regiona u svetu, pa nema bojazni za pomanjkanje sredstava za dalja istraživanja. Na internetu se već mogu pronaći u prodaji pancirni prsluci kojima u oznaci stoji reč pauk (engl. spider) ali nemojte se dati zavarati. Govori se o pomalo nategnutoj komercijalnoj skraćenici kompanije specijalizovane za proizvodnju oklopa i zaštitne vojne opreme Point Blank Body Armor, Inc, SAD, (S.P.I.D.E.R. - Stealth Protection Integrated Design Equipment Response).
Linkove ka naučnim radovima na temu paukovih niti i njihovog sintetizovanja koje sprovode laboratorije širom sveta možete naći ovde.
Dodatak april, 2009. - http://www.javno.com/hr-zivot/dodatkom-metala-dodatno-ojacana-paukova-nit_253281
Iako se već dugo zna da je paukova nit kojom pauk izrađuje svoju mrežu jača i od čelika, znanstvenici su je uspjeli i dodatno ojačati. Naime, u nju su dodali malene količine metala i napravili je triput jačom nego što je bila.
Ova će se tehnika moći primijeniti za proizvodnju super otpornih materijala od kojih će se moći izrađivati razna odijela, ali i umjetni materijali u medicini, poput umjetnih kostiju, žila i tetiva.
- Moglo bi poslužiti i kao izuzetno jak, a tanak konac – naglašava istraživač Seung-Mo Lee s Max Planck instituta u Njemačkoj.
Lee i njegovi kolege znanstvenici, koji su svoje otkriće objavili u časopisu Science, dodavanjem titana, cinka ili aluminija paukovu su nit učinili otpornom na lom i deformiranje. Posebnom su tehnikom uspjeli ne samo omotati nit metalom, nego i na neki način 'natjerati' da prodre u nju i sjedini se s njezinom proteinskom strukturom. Lee će također pokušati u nit dodati i teflon.
Ideja da ojačaju paukovu nit im je došla nakon što su istraživanja pokazala kako se u nekih insekata u njihovim najkrućim dijelovima tijela mogu naći visoke razine cinka koji ih čini tvrdim i otpornim.
'Svila' koju proizvode pauci oduvijek je fascinirala znanstvenike koju su je željeli 'proizvoditi' u komercijalne svrhe, ali u tome nikada nisu uspjeli jer pauci u zatočeništvu često jedu jedan drugoga. Zbog toga pokušavaju bez pomoći pauka, ali koristeći njihovi tehniku izrade niti, sami načiniti sjajne i snažne svilene niti.
Pristupi koje iskušavaju uključuju dobivanje vlakana od transgeničnih koza s dodatnim paukovim genom za dobivanje svile koju prilagođavaju svili drugih insekata, poput dudova svilca.
