โครงสร้างนาโนธรรมชาติ ตอนใยแมงมุม

แมงมุมสร้างใยเพื่ออนาคต

แมงมุมสร้างใยของมันเพื่อเป็นที่อยู่ ดักเหยื่อ วางไข่ และเส้นใยของมันคือวัสดุมหัศจรรย์เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์พบว่าเส้นใยของแมงมุมมีความยืดหยุด และแข็งแรงมากพอที่จะทำดักผึ้งซึ่งบินด้วยความเร็ว 32 กิโลเมตร ต่อชั่วโมงได้โดยที่ใยแมงมุมไม่ขาด เส้นใยของแมงมุมมีความแข็งแรงมาก จากการทดสอบพบว่ามีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กที่มีน้ำหนักเท่ากันถึง 6 เท่า เปรียบเทียบได้ว่า ถ้าหากใยแมงมุมมีความหนาเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับขนาดดินสอ ใยแมงมุมสามารถ หยุดการเคลื่อนที่ของเครื่องบินโบอิ้ง 747 ที่กำลังบินอยู่ได้ เส้นใยของแมงมุม บางชนิดเช่น Araneus diadematus สามารถยืดยาว ได้ร้อยละ 30-40 ก่อนจะขาด ในขณะที่โลหะสามารถยึดได้เพียง ร้อยละ 8เท่านั้น และไนลอนสามารถยืดได้ประมาณร้อยละ 20 จากการทดสอบในห้องทดลองนักวิทยาศาสตร์ พบว่า เส้นใยแมงมุมมีความทนทานต่อการย่อยสลายได้สูง อีกทั้งยังสามารถปั่นทอเส้นใย ได้ทั้งในอากาศ เส้นใยแมงมุมกว่าร้อยละ 50 ประกอบด้วยโปรตีน ที่เรียกว่า ไฟโปรอิน (fibroin)ซึ่งมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 200,000 -300,000 ดาลตัน โดยสร้างจากต่อมสร้างใยของแมงมุม ใน ปี 2002 นักวิทยาศาสตร์ในแคนนาดาได้คัดแยกยีนจากแมงมุม และนำไปใส่ในเซลล์ของแพะ โดยใช้เทคนิคทาง พันธุวิศวกรรม และพบว่าแพะ สามารถผลิตน้ำนมที่มี fibroin ซึ่งเป็นโปรตีนชนิดเดียวกันกับที่พบในใยแมงมุมได้
ในขณะที่ทีมวิจัยในมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย พบว่าเส้นใยของแมงมุมและเส้นประกอบด้วยเส้นใยมีขนาดเล็กมากประมาณ20 นาโนเมตรมาพันกันทำให้ใยแมงมุมมีความเหนียว และยืดหยุ่นได้ดี แตกต่างจากเส้นใยทั่วไป

นักวิทยาศาสตร์ได้เลียนแบบการสร้างเส้นใยของแมงมุม โดยการใช้กระบวนการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตหรือ Electrospinning ซึ่งมีองค์ประกอบหลัก 3 ส่วนได้แก่ หลอดบรรจุสารละลายพอลิเมอร์ที่ต่อกับขั้วอิเล็กโทรด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง ที่มีกระแสไฟฟ้าระดับต่ำ และอุปกรณ์รองรับเส้นใย ในการผลิตเส้นใยระดับนาโนเมตร เริ่มจากการให้ความต่างศักย์ของสนามไฟฟ้าแรงสูงเข้าไปยังสารละลายพอลิเมอร์ หรือพอลิเมอร์หลอมเหลว กระแสไฟฟ้าจะทำให้สารละลายเกิดเป็นประจุไฟฟ้าขึ้น เมื่อพอลิเมอร์มีประจุชนิดเดียวกัน ก็จะเกิดการผลักกันของประจุ ทำให้เกิดการฉีดตัวตัวออกมาเป็นเส้นใย ในระหว่างที่พอลิเมอร์ถูกฉีดออกมาผ่านหัวฉีด เพื่อตรงไปยังอุปกรณ์รองรับ ตัวทำละลายจะระเหยออกไป ทำให้เกิดเป็นเส้นใยขึ้น นอกจากนั้นยังมีสนามไฟฟ้าภายนอกเป็นตัวผลักดันพอลิเมอร์ที่มีประจุ ให้เคลื่อนที่มายังอุปกรณ์รองรับเส้นใย วิธีการนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตเส้นใยต่าง ๆ ที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งสามารถพัฒนาเป็นวัสดุที่มีความสามารถพิเศษในด้านต่าง ๆ เช่น การยืดหยุ่นด้านการควบคุมอุณหภูมิ ความเสถียร และ การดูดกลืนรังสี ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้จะเป็นจริงได้ในอนาคตอันใกล้ สามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิต ระดับอุตสาหกรรมการพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้ในอวกาศ ผลิตเส้นใยนำแสง ระบบควบคุมการปลดปล่อยยา และสารออกฤทธิ์ รวมถึงการผลิต นักวิทยาศาสตร์ได้เลียนแบบการสร้างเส้นใยของแมงมุม โดยการใช้กระบวนการปั่นเส้นใยด้วยไฟฟ้าสถิตหรือ Electrospinning ซึ่งมีองค์ประกอบหลัก 3 ส่วนได้แก่ หลอดบรรจุสารละลายพอลิเมอร์ที่ต่อกับขั้วอิเล็กโทรด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงสูง ที่มีกระแสไฟฟ้าระดับต่ำ และอุปกรณ์รองรับเส้นใย ในการผลิตเส้นใยระดับนาโนเมตร เริ่มจากการให้ความต่างศักย์ของสนามไฟฟ้าแรงสูงเข้าไปยังสารละลายพอลิเมอร์ หรือพอลิเมอร์หลอมเหลว กระแสไฟฟ้าจะทำให้สารละลายเกิดเป็นประจุไฟฟ้าขึ้น เมื่อพอลิเมอร์มีประจุชนิดเดียวกัน ก็จะเกิดการผลักกันของประจุ ทำให้เกิดการฉีดตัวตัวออกมาเป็นเส้นใย ในระหว่างที่พอลิเมอร์ถูกฉีดออกมาผ่านหัวฉีด เพื่อตรงไปยังอุปกรณ์รองรับ ตัวทำละลายจะระเหยออกไป ทำให้เกิดเป็นเส้นใยขึ้น นอกจากนั้นยังมีสนามไฟฟ้าภายนอกเป็นตัวผลักดันพอลิเมอร์ที่มีประจุ ให้เคลื่อนที่มายังอุปกรณ์รองรับเส้นใย วิธีการนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถผลิตเส้นใยต่าง ๆ ที่มีขนาดเล็กมาก ซึ่งสามารถพัฒนาเป็นวัสดุที่มีความสามารถพิเศษในด้านต่าง ๆ เช่น การยืดหยุ่นด้านการควบคุมอุณหภูมิ ความเสถียร และ การดูดกลืนรังสี ซึ่งคุณสมบัติเหล่านี้จะเป็นจริงได้ในอนาคตอันใกล้ สามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิต ระดับอุตสาหกรรมการพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้ในอวกาศ ผลิตเส้นใยนำแสง ระบบควบคุมการปลดปล่อยยา และสารออกฤทธิ์ รวมถึงการผลิต Sensors ขนาดเล็ก