Pavoučí vlákno jako hitech materiál

30. říjen 2009 | 06.00 |

pavouk 1Pavouci rozhodně nepatří k oblíbeným živočichům, alespoň u něžnější poloviny lidstva. Jsou to ale tvorové výjimeční, zajímaví a v mnoha směrech přímo obdivuhodní. Snad nejkurióznější je jejich schopnost snovat vlákno a vyrábět z něj pavučiny pro nejrůznější účely. Pavoučí vlákno má neuvěřitelné fyzikální i chemické  vlastnosti, kterým se zatím žádné uměle vytvořené vlákno příliš nepřiblížilo. Není proto divu, že se odborníci honí za pavoučím tajemstvím už několik staletí.

Pavoučí vlákno je velice pružné a pevné. Přestože je tak neuvěřitelně tenké (průměr pavoučího vlákna je průměrně 0,15 µm což se rovná 0,00015 mm a nejtenčí známé pavoučí vlákno ale má jen 0,00002 mm) má větší pevnost v tahu než ocel. Zatímco ocel se může pochlubit 8% pružností a nylon dokáže svou délku změnit o 20 %, vlákno křižáka (Araneus diadematus) lze roztáhnout až o 40 %, aniž by se přetrhlo. Pavučina je 3x pevnější než kevlar (materiál, z něhož se vyrábějí neprůstřelné vesty). Muselo by být desítky kilometrů dlouhé, aby se přetrhlo vlastní vahou, a přes mizivou tloušťku (dokáže třeba i zastavit letící včelu. Pavoučí vlákno, tlusté jako zahradní hadice, by uneslo na každém konci plně naložený obří Boeing a lanko ze stejného materiálu, tlusté jako tužka, by zastavilo Boeying 747 v plné rychlosti.

Pavoučí vlákno má také tvarovou paměť. Pokud ho roztočí třeba vítr, vrátí se do původního stavu, aniž by se pavouk na něm visící točil sem a tam. Zcela bez oscilace se to sice neobejde, ale trvají jen velmi krátkou dobu. Pavouk využívá více typů vláken, z těch nelepivých tvoří kostru pavučiny, z lepivých pak střední spirálu. Sám se po ní snaží pohybovat co nejméně, a když už tak pouze po těch bezpečných vláknech. Přesto, kdyby náhodou šlápnul vedle, má na nohách zvláštní speciální vrstvu nelepivého maziva, které mu pomáhá nepřilepit se. Také o své nožky neustále pečuje a od lepidla je čistí. Stavba pavučiny je energeticky dost náročná, takže při náhodném potrhání se ji snaží spíše opravovat, než stavět znovu. Pavoučí vlákno je dokonale recyklovatelné. Jestliže se pavučina poškodí natolik, že přestane plnit svou funkci, pavouk ji sežere a pomocí trávicích enzymů přemění zase v tekutinu, z níž utká novou pavučinu.

pavouk 2Pavoučí vlákno je tvořeno ze zvláštní vláknité bílkoviny která se nazývá fibrin, je to látka skutečně neobyčejných vlastností.

Tvoří se u pavouka ve snovacích žlázách umístěných v zadní části těla a vyústění těchto žláz je na konci zadečku, na tzv. snovacích bradavkách. Bílkovinná hmota je pak vytlačována ze žláz postupně ven z těla pavouka, přitom se jakoby zahušťuje a drobnými otvory vychází ven v podobě tenkého vlákna.
Jak přesně pavouci navozují polymerizaci, se podařilo zjistit německým vědcům z Mnichovské technické univerzity. Ve snovacích žlázách  udržují své polotovary pro výrobu bílkoviny v roztoku ve formě dimerů (dvě spojené základní molekuly, které se dál nijak neřetězí) vlivem vysoké koncentrace chloridu sodného, tedy soli. Po odsolení roztoku ve snovací bradavce se mohou jednotlivé molekuly začít skládat do delších řetězců a vytvářet pevná vlákna. Na tomto procesu se podílí změna kyselosti prostředí. Zatímco ve žláze jsou "dvojmolekuly" naloženy v silně zásaditém roztoku, který z nich "vysává" vodíkové ionty a znemožňuje jim tak reagovat s dalšími dimery, v kyselé bradavce již družení nic nebrání. Spustí se tu proces (oligomerizace), jenž dává vznik řetězcům o několika molekulách, která pak pokračuje polymerizací. Jejím výsledkem jsou obří molekuly s hmotností stanásobně větší než u původních dimerů.

Využívání pavoučího vlákna.
V Austrálii a oceánii si domorodci zhotovovali z pavučin obrovských pavouků Nephilia maculata, které jsou schopny zachytit do svých pavučin i ptáka v letu, husté rybářské sítě, vlasce pro lov ryb či stínidla na hlavu proti slunci. Již od začátku 18. století probíhaly pokusy využít pavoučí vlákna na výrobu oděvů. Jedním z prvních, kdo se o to zasloužil byl Francouz Bon de Saint- Hilaire. Nechal pochytat tisíce maličkých pavoučích samiček a zavřel je všechny společně do uzavřeného prostoru, zajistil jim i potravu, ale na vlákna se těšil marně. Samičky pavouků se totiž vyznačují kanibalismem a tak se navzájem pojedly.

Před 110 lety na Madagaskaru P. Camboué dal pokyn domorodcům sbírat místní pavouky a jednotlivě je uzavíral do klícek. V klíckách byli pevně přichyceni v úzké štěrbině, která je přidržovala mezi hlavohrudím a zadečkem. Za klíckou byla umístěna cívka pro navíjení vlákna. Cívka se nepřetržitě otáčela a tím vznikal neustálý tah vlákna, který nutil "přadleny", aby neustávaly v jeho produkci. Takový jedinec se však brzy vyčerpal a musel být vystřídán dalším pavoukem. Cambouému se podařilo získat malé množství kvalitních pavučinových vláken. K výrobě jednoho dámského kostýmu by bylo třeba přibližně 5400 pavouků. Výsledný výrobek by tak byl neuvěřitelně drahý. Navíc, obrovským problémem bylo samozřejmě i krmení pavouků, protože síťové pavouky nutí instinkt lovit kořist ze sítě, když jim mouchu nabídneme, živou nebo mrtvou, v pinzetě nebo rukou, tak potravu nepřijímají.

Další využití pavoučích vláken napadlo výrobce různé optiky v osmdesátých letech 19. století - v této době se totiž přišlo na to, že vlákno pavučiny je dostatečně tenké, přitom pevné - tím pádem je to vhodný materiál pro zamontovávání do optiky všude tam, kde je potřeba mít v zorném poli tenký nitkový zaměřovací kříž, nebo různé stupnice (v mikroskopu, v hvězdářském dalekohledu, v dalekohledu na pušce či v dělostřeleckém zaměřovači). Za druhé světové války tak vznikl v USA " pavučí průmysl". Nejznámější v tomto oboru byl Nan Songer, který měl svoji továrnu v Kalifornii, v ní pro něj pracovaly pavouci – černé vdovy.

Výzkumníkům z univerzity Šinšu v Naganu podařilo vstříknout pavoučí geny do housenky bource morušového z jejíchž vláken se získává hedvábí, a získat tak vlákno, které je pevnější, jemnější a odolnější než běžné hedvábí.

Vědci z Mnichova důkladně prozkoumali procesy probíhající v útrobách pavouka, složení pavoučích bílkovin a chemické látky, které vylučuje a jež pak pavoukům umožní spřádat vlákna a tvořit z nich sítě. Podařilo se jim v maximálně míře vysledovat podmínky umožňující pavoukům vytvářet v přírodě relativně velmi pevné a elastické sítě zachycující letící hmyz. Výsledem jejich snažení, jak informoval portál mytum.de, je uměle vyrobené pavoučí vlákno. Pokud by se dalo vyrábět průmyslově, stalo by se velmi zajímavým materiálem pro biomedicínu jako chirurgická niť přijatelná pro lidskou tkáň, kterou imunitní systém neodpuzuje. Syntetické pavoučí vlákno by mohlo také spojovat přerušené nervy a pomáhat společnému růstu nervových buněk. Odborníci také uvažují o tom, že vlákna by v robustnější podobě mohla postupně nahradit i materiály, jejichž výroba je závislá na drahé ropě.

Další německý výzkumný tým z Institutu Maxe Plancka byl inspirován studií prokazující stopy kovů v nejpevnějších částech těla některého hmyzu. Například kusadla mravenců a kobylek obsahují vysoké množství zinku, což je činí obzvláště tuhými a tvrdými. Výzkumníci se proto rozhodli, že zkusí přidat kovy do stávajících biologických materiálů, a začali s vláknem pavouka křižáka a použili metodu pulsní laserové depozice k vpravení iontů zinku, titanu a hliníku do pavoučího vlákna. Tato metoda se běžně používá k vložení tenké vrstvy jednoho materiálu do materiálu jiného. Kovové ionty skutečně do vlákna pronikly a reagovaly s jeho bílkovinnou strukturou. Vznikl tak materiál výrazně pevnější než přírodní vlákno pavouka.
Tým rovněž prokázal, že pouhý vnější kovový povlak na vlákně má jen malý význam při zlepšování jeho pevnosti, zvýšení pevnosti bylo opravdu vyvoláno vložením iontů kovu do bílkovinných vláken. Tato technika může být užitečná pro výrobu superpevného textilu a hi-tech zdravotnického materiálu, včetně umělých kostí a šlach. Mohly by tak vzniknout i velmi pevné nitě pro chirurgické operace.

Jediným podnikem, který v současnosti připravuje komerční využití vláken, je firma Okamoto z Japonska, která chce okolo roku 2010 na trh uvést extra tenké a odolné "pavoučí" ponožky.

 použitý zdroj: www.ideje.cz

Zpět na hlavní stranu blogu

Hodnocení

1 · 2 · 3 · 4 · 5
známka: 1.24 (17x)
známkování jako ve škole: 1 = nejlepší, 5 = nejhorší

Komentáře

RE: Pavoučí vlákno jako hitech materiál dana 23. 03. 2011 - 14:16
RE: Pavoučí vlákno jako hitech materiál kolubro 04. 02. 2012 - 19:02