ساخت سیم های میکروسکوپی الکترونیکی از تار عنکبوت

به دنبال یافتن اسرار تار عنکبوت، دانشمندان سالها وقت صرف تحقیق، روی مواد سازنده الیاف کردند تا خواص مکانیکی آن را توجیه کنند. تارهای عنکبوت با قطر 2 تا 5 میکرومتر، بسیار نازک و تقریبا نامرئی، ولی در عین حال نسبت به اندازه شان فوق العاده محکم هستند، و می توانند تا چهار برابر طول اولیه خود کش بیایند، هر کس که به یک اتاق زیر شیروانی یا انباری رفته است می داند که چه قدر راحت به هر چیزی می چسبند.

 در حالی که بسیاری از محققان بر جنبه های مکانیکی تار عنکبوت تمرکز دارند اِستیون اِدِن، فارغ التحصیل در علم ماده چگال و دستیار پژوهشی در آزمایشگاه ملی میدان های مغناطیسی دانشگاه ایالتی فلوریدا می گوید: “تارهای عنکبوت ، در واقع، نقش مهم و امیدوار کننده ای درصنعت الکترونیک دارد.” این آزمایشگاه به مطالعه خواص فیزیکی موادجدید، با ابعادی به کوچکی 10 میکرومتر، می پردازد، مانند کریستال های کوچک با خواص ابررسانا.

رهبر گروه جیمز بروکس، استاد فیزیک دانشگاه ایالتی فلوریدا می‌باشد. استیون خواص الکترونیکی تارهای عنکبوت و سطح تعامل آن ها را با مواد رسانا بررسی می‌کند. تارهای عنکبوت به دلیل نازکی و موادی انعطاف پذیر می‌تواند راهکاری مفید برای اتصالات الکتریکی در دستگاه های بسیار کوچک و نمونه ای از مواد جدید باشد.

تارهای ابریشم گون عنکبوت به عنوان یک پلیمر ساخته شده از پروتئین، عایق است. بنابراین محققان در حال بررسی این موضوع اند که وقتی با طلا، ید یا نانولوله های کربن پوشیده شود چه اتفاقی می افتد. در هر سه مورد، تبدیل به تاری با رسانایی بیشتر می شود. با این حال، اِستیون در نشست جامعه فیزیکی آمریکا در بوستون، به دانشمندان گفت: “چسبندگی نانو ذرات طلا به تار عنکبوت خیلی خوب است و این یعنی طلا واقعا عاشق تار عنکبوت است!”

این تیم ،کار تحقیقاتی خود را با برداشت ابریشم به اندازه 3.5 میکرومتر از نِفیلا (نوعی عنکبوت طلا باف) آغاز کردند. آنها تارهای ابریشم را در محفظه خلاء قرار دادند و سطح آن را با طلا پوشاندند. الیاف حاصل، هدایت الکتریکی را از طلا و همچنین  انعطاف پذیری را  ابریشم به ارث برده بود در حالی که اندازه آن تنها یک بیست و پنجم قطر یک تار موی انسان است، این موضوع اجازه می دهد این الیاف حتی بدون خمیر هادی، به عنوان اتصالات روی کریستال های کوچک آلی مورد استفاده قرار گیرند. برای مطالعه خواص ابررسانایی این گونه مواد، باید آزمایشگاه را تا دمای برودت خنک کرد.

سیم استاندارد ساخته شده از طلا یا دیگر فلزات به اندازه کافی الاستیک نیست و با تغییر درجه حرارت مایل به از دست دادن اتصالات با بلورهای آلی نرم است. این گروه دریافتند که الیاف ابریشمی (تار عنکبوت) طلا پوشش داده شده، در کمتر از پایین ترین درجه حرارت آزمایش شده، حدود 260 میلی کلوین نیز به عنوان اتصالات کار می کند.

محققان همچنین ابریشم را با نانولوله های کربنی پوشش دادند تا سنسورهایی بسیار حساس به فشار بسازند. این حسگرها  می توانند به عنوان نشان دهنده ضربان قلب استفاده شود. با این حال، ابریشم غنی شده با ید، بسته به رطوبت نسبی محیط تغییراتی در رسانایی از خود نشان می دهد. اما تحقیقات به همین جا ختم نمی شود. استیون ابریشم آلاییده به ید را دراتمسفر آرگون تا 800 درجه سانتیگراد گرم کرد، که باعث از هم پاشیدگی (گرما کافت-Pyrolysis) آن شد و الیافی پوشیده شده از کربن که تبدیل به یک نیمه هادی نوع p شده بود به دست آمد. محققان با استفاده از این الیاف، رشته هایی برای لامپ های رشته ای ساختند.

اِستیون می گوید: “این گروه با استفاده از ابریشم عاملدار شده، بر روی ساخت قطعات الکترونیکی مانند دیود ها، سلف‌ها و خازن ها کار می کند. هم چنین باید امکان ساخت یک ترانزیستور اثر میدان، از نسخه نیمه هادی این مواد، موجود باشد.”

در حال حاضر آزمایشگاه های دیگر، الیاف پیله کرم ابریشم را به عنوان عایق گیت در یک ترانزیستور به کار می برند.

الیاف رسانا و نیمه هادی می تواند به آسانی به صورت پارچه یا به اصطلاح منسوجات هوشمند بافته شوند. مانند تی شرتی که توانایی اندازه گیری درجه حرارت یا دیگر تغییرات زیست محیطی را داشته باشد. اِستیون می گوید با ادغام تحقیقات دانشگاه فلوریدا و اقدامات انجام شده برای ایجاد تار عنکبوت مصنوعی، ممکن است روزی فرا برسد که مهندسان، انبوه الیاف را با ویژگی های قابل تنظیم الکتریکی تولید کنند.

تیم های دیگر نیز شروع به کشف خواص فرا مکانیکی تارهای عنکبوت کرده اند. در ماه مارس 2012، شین وی وانگ، استاد مهندسی مکانیک دانشگاه ایالتی آیووا، از مواد پیشرفته ای در تار عنکبوت خبر داد که دارای رسانایی گرمایی بسیار استثنایی هستند.

کار با ابریشم از همان نوع تار عنکبوتی که تیم دانشگاه فلوریدا استفاده کرده بود، نشان داد که انتقال حرارت، حتی بهتر از رسانا های عالی مانند آلومینیوم و آهن انجام می گیرد و اگر ابریشم کشیده شود رسانایی بهبود می یابد. او رسانایی را درحدود 416 وات در هر متر به ازای یک درجه کلوین اندازه گیری کرد که قابل مقایسه با رسانایی401 وات بر متر- کلوین مس است. این ویژگی ممکن است منجر به ساخت کاهنده گرما یا هیت سینک های بهتر برای قطعات میکروالکترونیک شود.

منبع