Μετάφραση Αντώνης Γίτσας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Τμήμα Φυσικής (http://users.uoi.gr/agitsas)

Το  Ινστιτούτο Laue-Langevin

Επιστήμονες του Ινστιτούτου Laue-Langevin (ILL) και του Πανεπιστημίου Joseph Fourier στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, ανακάλυψαν έναν κρύσταλλο που φαίνεται να αψηφά τους νόμους της θερμοδυναμικής. Η Giovanna Cicognani από το ILL, μεταδίδει.

Μια από τις πρώτες μας επαφές με τη Φυσική, είναι οι μυστηριώδεις μεταμορφώσεις του νερού: από στερεό στην κατάψυξη, σε υγρό σε θερμοκρασία δωματίου, και τελικά αέριο πάνω στο μάτι της κουζίνας. Αργότερα μαθαίνουμε ότι, αν και οι διάφορες ουσίες μπορεί να έχουν τελείως διαφορετικές θερμοκρασίες τήξης και βρασμού, όλες μπορούν να μεταβούν από τη μία φάση στην άλλη – και το κλειδί είναι η θερμοκρασία. Όμως, τι συμβαίνει με κάτι που λιώνει όταν ψύχεται και στερεοποιείται όταν θερμαίνεται;

Ησυνταγή Για να φτιάξετε το μυστηριώδες μείγμα που ανακάλυψαν οι επιστήμονες στη Γκρενόμπλ, ανακατέψτε 200 mg α-κυκλοδεξτρίνης (H6OC36O30) με 1 ml 4-μεθυλοπυριδίνης (H7C6N) και μια πολύ μικρή ποσότητα νερού. Το μείγμα θα πρέπει να είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν θερμανθεί, θα πρέπει να στερεοποιηθεί. Ούτε το μείγμα, ούτε τα συστατικά του δεν είναι επικίνδυνα, μόνο που η 4-μεθυλοπυριδίνη μυρίζει άσχημα.

Η Marie Plazanet, Βοηθός Ερευνήτρια στο ILL, και οι συνεργάτες της βρήκαν ένα υδατικό διάλυμα που σχηματίζει ένα γαλακτώδες στερεό αν θερμανθεί στους 60 oC περίπου, και ξαναγίνεται ένα ομογενές, διάφανο υγρό αν ψυχθεί. Το διάλυμα είναι ένα μείγμα νερού, ενός σακχάρου που ονομάζεται α-κυκλοδεξτρίνη, και μεθυλοπυριδίνης, ενός συστατικού των πλαστικών. Για να καταλάβετε πόσο περίεργο είναι αυτό, λέει η Giovanna Cicognani, Επιστημονική Υπεύθυνος στο ILL, φανταστείτε ένα ποτήρι Coca-Cola® με παγάκια. “Όλοι ξέρουν τι θα γίνει τελικά – ο πάγος θα λιώσει και η Coca-Cola θα κρυώσει λίγο. Σε αυτήν την περίπτωση, όμως, όταν θερμάνετε το ποτήρι στους 60°C, όλο το περιεχόμενο θα στερεοποιηθεί”.

Οι επιστήμονες μελέτησαν την ουσία χρησιμοποιώντας νετρόνια που παρήχθησαν από έναν ερευνητικό πυρηνικό αντιδραστήρα του ILL. Μια αλυσιδωτή αντίδραση παράγει νετρόνια τα οποία συλλέγονται σε μια ελεγχόμενη, καλά εστιασμένη δέσμη, που οδηγείται πάνω σε κρυστάλλους ή άλλα υλικά υπό μελέτη. Τα νετρόνια της δέσμης συγκρούονται με τα νετρόνια του δείγματος, σχηματίζοντας μια εικόνα περίθλασης που μπορεί τελικά να μετατραπεί σε μια εικόνα υψηλής ανάλυσης. Αυτό μας δίνει έναν χάρτη του δείγματος άτομο προς άτομο. “Χρησιμοποιήσαμε νετρόνια για να εξετάσουμε τις εσωτερικές ιδιότητες του μείγματός μας, δείχνοντας ότι στη στερεά φάση σχηματίζεται μια άκαμπτη και οργανωμένη δομή, ακόμα και αν ένα άλλο μέρος του μείγματος παραμένει υγρό”, εξηγεί ο Ralph Schweins, επιστήμονας του ILL και μέλος της ομάδας του πειράματος.

Απαιτούμενος εξοπλισμός: ένα όργανο ανελαστικής σκέδασης νετρονίων

Οι επιστήμονες της Γκρενόμπλ πιστεύουν ότι αυτή η μεταβολή φάσης μπορεί να εξηγηθεί με το σχηματισμό και το σπάσιμο δεσμών υδρογόνου. Πάνω από τους 60°C, σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου είτε μεταξύ της κυκλοδεξτρίνης και της μεθυλοπυριδίνης, είτε μεταξύ της κυκλοδεξτρίνης και των μορίων νερού, διατηρώντας τη σταθερότητα του στερεού. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου σπάζουν και σχηματίζονται νέοι δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα στα μόρια της κυκλοδεξτρίνης, πράγμα που κάνει το στερεό να ξαναγίνεται υγρό. Η μελέτη των μοριακών κινήσεων στο διάλυμα με υπολογιστικά μοντέλα έχει επιβεβαιώσει αυτά τα αποτελέσματα.

Επομένως η ουσία αυτή δεν αψηφά στην πραγματικότητα τους νόμους της Φυσικής. Όμως δείχνει μερικές ενδιαφέρουσες πλευρές των δεσμών υδρογόνου, οι οποίοι παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή μας – και όχι μόνο όταν κάνει κρύο και ευχόμαστε να χιονίσει!

Δεσμοί υδρογόνου Το νερό είναι μέλος ενός συνόλου ουσιών που ονομάζονται υδρίδια της ομάδας VI του περιοδικού πίνακα. Πολλές από αυτές είναι δύσοσμα αέρια: υδρόθειο, υδροσελήνιο, και υδροτελλούριο – το ένα πιο βρωμερό από το άλλο. Αυτό αληθεύει για όλα τα υδρίδια της ομάδας VI; Όχι ακριβώς. Το οξείδιο του υδρογόνου αποτελεί εξαίρεση από πολλές απόψεις: Πρώτον, είναι άοσμο. Δεύτερον, είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, μπορεί να γίνει και επικίνδυνο: παρατεταμένη επαφή με στερεό οξείδιο του υδρογόνου μπορεί να προκαλέσει βλάβες στους ιστούς, και καυτοί ατμοί του να προκαλέσουν σοβαρά εγκαύματα. Παρόλα αυτά, το οξείδιο του υδρογόνου – δηλαδή το νερό – είναι επίσης απαραίτητο για τη ζωή στη Γη. Και τι κάνει το νερό τόσο ξεχωριστό από τα υπόλοιπα υδρίδια της ομάδας VI; Κατά κύριο λόγο, οι δεσμοί υδρογόνου. Ο δεσμός υδρογόνου είναι μια ελκτική δύναμη που υπάρχει μεταξύ πολικών μορίων αντίθετου φορτίου. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, στη μια άκρη του δεσμού βρίσκονται άτομα υδρογόνου. Τα μόρια του νερού, για παράδειγμα, είναι πολικά μόρια τα οποία έχουν εν μέρει αρνητικό φορτίο (το άτομο του οξυγόνου) και εν μέρει θετικό φορτίο (τα άτομα του υδρογόνου). Όταν τα μόρια του νερού βρίσκονται σε κοντινή απόσταση, τα θετικά και τα αρνητικά τους φορτία έλκονται μεταξύ τους. Οι δεσμοί υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ ατόμων υδρογόνου ευθύνονται για κάποιες από τις βασικές – και μοναδικές – ιδιότητες του νερού. Το νερό διατηρείται υγρό σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών λόγω της έλξης των δεσμών υδρογόνου. Αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια που χρειάζεται για να σπάσουν πολλοί δεσμοί υδρογόνου κάνει το νερό να έχει μεγάλη θερμότητα εξάτμισης. Με άλλα λόγια, χρειάζεται μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας για τη μετατροπή υγρού νερού, στο οποίο τα μόρια συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου, σε αέριο νερό, όπου τα μόρια δεν συνδέονται.

Συζήτηση Μπορείτε να σκεφτείτε μια πρακτική εφαρμογή του καινούργιου μείγματος; Μπορείτε να σκεφτείτε άλλα μείγματα που να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο; Εξηγήστε το δεσμό υδρογόνου με δικά σας λόγια. Γιατί οι δεσμοί υδρογόνου είναι τόσο ισχυροί στο νερό και όχι σε άλλα υδρίδια της ομάδας VI; Γνωρίζετε άλλα παραδείγματα σύνδεσης με δεσμούς υδρογόνου; Έχετε υπόψη σας καμία εφαρμογή της μεταβολής φάσεων; Τι γνωρίζετε για τη σκέδαση νετρονίων; Τι σχετικό μπορείτε να βρείτε στο Διαδίκτυο;

Πηγές

Τα αποτελέσματα περιγράφονται πιο αναλυτικά στο άρθρο: Plazanet M. etal. (2004) Freezing on heating of liquid solutions. Journal of Chemical Physics 121: 5031-5034, doi: 10.1063/1.1794652

Χάρη στη διεθνή του υποστήριξη και στην εξειδίκευση, το Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL) προσφέρει στους επιστήμονες και τη βιομηχανία τις καλύτερες εγκαταστάσεις του κόσμου στην επιστήμη και την τεχνολογία των νετρονίων. Στη Γκρενόμπλ, στη νοτιοανατολική Γαλλία, το Ινστιτούτο χρησιμοποιεί την πιο ισχυρή πηγή νετρονίων της Γης. Για πληροφορίες σχετικά με το ILL, την έρευνα και τις δραστηριότητές του, επισκεφτείτε το: www.ill.fr

Πληροφορίες για το Πανεπιστήμιο Joseph Fourier της Γκρενόμπλ μπορούν να βρεθούν στο: www.ujf-grenoble.fr

Μετάφραση Aλίκη Ροντογιάννη

Η εικόνα ανατυπώνεται με την άδεια του Richard Davies

Είναι δυνατόν το νήμα της αράχνης να αποτελέσει τη λύση  σε σειρά ιατρικών  ή στρατιωτικών ζητημάτων; Η Giovanna Cicognani από το Ινστιτούτο Laue - Langevin και η Montserrat Capellas από το Ευρωπαϊκό Συγκρότημα Ακτινοβολίας Σύγχροτρον στη Γαλλία,  εξετάζουν την έρευνα των Christian Riekel and Tilo Seydel πάνω σ’ αυτό το αξιοθαύμαστο υλικό.

Η Βιομιμητική αποτελεί σημαντικό πεδίο της σύγχρονης επιστήμης, όμως η ιδέα ότι ο άνθρωπος μπορεί να εμπνευστεί από τα φυσικά εξελικτικά μοντέλα δεν είναι καθόλου καινούργια. Περισσότερο από 400 χρόνια πριν, ο Leonardo da Vinci αντλούσε την έμπνευση του από  τα πουλιά για να κατασκευάσει τις πτητικές μηχανές του. Πρόσφατα Γάλλοι ερευνητές χρησιμοποιούν τεχνολογίες αιχμής για να αποκαλύψουν τα μυστικά ενός υλικού το οποίο υπάρχει γύρω μας για περισσότερα από 150 εκατομμύρια χρόνια.

Επί αιώνες ο άνθρωπος θαυμάζει τις αράχνες για την ικανότητά τους να κατασκευάζουν λεπτεπίλεπτα πλέγματα. Αν και εύθραυστα στην εμφάνιση, αυτά τα πλέγματα μπορούν να παγιδεύσουν τα έντομα κατά την πτήση τους και είναι τόσο ανθεκτικά ώστε να εγκλωβίζουν το θύμα  χωρίς να καταστρέφονται.  Σε αντίθεση με τεχνητά πολυμερή, όπως το Kevlar, το οποίο παρασκευάζεται με πίεση θερμού και όξινου διαλύματος του υλικού μέσω ειδικών ακροφύσιων σε λουτρό όπου και στερεοποιείται, για να ακολουθήσει πλύσιμο και στέγνωμα, το νήμα της αράχνης παράγεται από υδατικό διάλυμα σε συνήθη θερμοκρασία. Η ικανότητα του ιστού να συλλαμβάνει έντομα οφείλεται στο μοναδικό συνδυασμό των ιδιοτήτων του νήματος που είναι η αντοχή, η ελαστικότητα  (εκτείνεται έως 30%) και το πιο σημαντικό, η σκληρότητα. Το μετάξι της αράχνης μπορεί να είναι έξι φορές δυνατότερο από το ατσάλι κατά βάρος αλλά αυτό που το κάνει τόσο ιδιαίτερο είναι η αντοχή του μια και μπορεί να απορροφά μεγάλο ποσό ενέργειας χωρίς να σπάει. Τεχνητά υλικά όπως το Kevlar είναι δυνατά αλλά δεν εμφανίζουν αυτή την ιδιότητα. Επιπλέον, σε αντίθεση με το Kevlar, το νήμα της αράχνης είναι βιοαποικοδομήσιμο και ανακυκλώσιμο. Καθώς οι αράχνες επιδιορθώνουν τους ιστούς τους τρώνε συχνά τα φθαρμένα τμήματα και  επαναχρησιμοποιούν τα δομικά υλικά.

Αυτά τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του νήματος της αράχνης το κάνουν ιδιαίτερα ενδιαφέρον σε διάφορα επιστημονικά πεδία. Πολυμερές παρόμοιο με το νήμα της αράχνης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην ιατρική ως μη τοξικό νήμα μεγάλης αντοχής, ή ως υλικό επιδιόρθωσης συνδέσμων διότι όχι μόνο δε φθείρεται όσο συχνά και αν κάμπτεται αλλά επί πλέον μπορεί να αντέχει σε συνήθεις συγκρούσεις και σε μεγάλη πίεση. Ο στρατιωτικός τομέας επίσης ερευνά τις χρήσεις του υλικού αυτού μια και η ιδιότητά του να διασπείρει την ενέργεια  το καθιστά ιδανικό υλικό για κατασκευή ελαφρύ εξοπλισμού.

Πριν όμως από όποια απόπειρα παραγωγής και χρήσης συνθετικού νήματος αράχνης είναι ανάγκη να διερευνήσουμε που οφείλονται οι μοναδικές μηχανικές του ιδιότητες. Πρόσφατα τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά του νήματος της αράχνης μελετήθηκαν σε πειράματα στο Ινστιτούτο Laue - Langevin (ILL) και στο Ευρωπαϊκό Συγκρότημα Ακτινοβολίας Σύγχροτρον (ESRF) στη Grenoble της Γαλλίας, όπου χρησιμοποιήθηκε  περίθλαση νετρονίων και ακτινοβολία σύγχροτρον αντίστοιχα. Οι δύο παραπάνω τεχνικές αλληλοσυμπληρώνονται. Ενώ η ακτινοβολία σύγχροτρον, που είναι ακτίνες Χ πολύ υψηλής ενέργειας^w1, δίνει τη δυνατότητα μια μοναδική κλωστή να μελετηθεί όπως είναι όταν εξέρχεται από το σώμα της αράχνης, η περίθλαση νετρονίων μας επιτρέπει να αναγνωρίσουμε διαφορές στην οργάνωση των πρωτεϊνών που αποτελούν το νήμα καθώς και την αλληλεπίδρασή τους με  το νερό, η οποία παίζει μεγάλο ρόλο στις μηχανικές ιδιότητες του νήματος. Τα νετρόνια, σε αντίθεση με την ακτινοβολία σύγχροτρον, σκεδάζονται  διαφορετικά από το κανονικό νερό που περιέχει υδρογόνο και από το βαρύ νερό που περιέχει δευτέριο. Βυθίζοντας το νήμα της αράχνης σε βαρύ νερό, μπορούμε να συμπεράνουμε από τον τρόπο του σκεδάζει τα νετρόνια, ποια άτομα υδρογόνου έχουν αντικατασταθεί από άτομα δευτερίου. Αυτό στη συνέχεια μας δίνει πληροφορίες για τη χημική σύνδεση των ατόμων αυτών.

Τα συνδυασμένα αποτελέσματα από τις ομάδες του ESRF,  του ILL και του συνεργαζόμενου τμήματος Ζωολογίας του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης στη Μεγάλη Βρετανία, έδειξαν ότι το νήμα της αράχνης είναι υλικό με ιεραρχική οργάνωση. Το υλικό έχει δομή βιοπολυμερούς αποτελούμενο από πρωτεΐνες φτιαγμένες σχεδόν αποκλειστικά από επαναλαμβανόμενα μοτίβα αμινοξέων όπως η αλανίνη και η γλυκίνη.

Δομή μικροϊνας. Click to enlarge image Η εικόνα ανατυπώνεται με την άδεια του Daniel Sapede

Τα μοτίβα της αλανίνης αποτελούν κρυσταλλικές περιοχές  οι οποίες διαχωρίζονται από μη κρυσταλλικές περιοχές πλούσιες σε γλυκίνη. Αυτές οι κρυσταλλικές και μη κρυσταλλικές δομές οργανώνονται σε  μικροϊνα οι οποίες είναι βυθισμένες σε ένα άμορφο πρωτεϊνικό καλούπι. Οι επιστήμονες ακόμη δεν έχουν καταλήξει γιατί αυτή η δομή  εμφανίζει τις γνωστές εκπληκτικές ιδιότητες του νήματος της αράχνης :  είναι τα  «μοριακά ελατήρια» μέσα στο άμορφο πρωτεϊνικό καλούπι ή το άμορφο δίκτυο που ενισχύεται από κρυσταλλικές περιοχές (βλέπε διάγραμμα).

Οι επιστήμονες εδώ και κάποιο διάστημα έχουν παρασκευάσει τις πρωτεΐνες του νήματος της αράχνης και ήδη κατανοούν σε μεγάλο βαθμό τη σχέση μεταξύ πρωτεϊνικής οργάνωσης  και αντοχής του νήματος. Εν τούτοις, απαιτείται περισσότερη δουλειά για να διερευνηθεί πλήρως  και να προσομοιωθεί ο μηχανισμός της πρωτεϊνικής συσπείρωσης και του σχηματισμού του νήματος. Στις αράχνες οι πρωτεΐνες του μεταξιού συντίθενται και εκκρίνονται σε αδένες με τη μορφή παχύρρευστου υγρού. Οι αγωγοί από τους αδένες οδηγούν σε ειδικούς σχηματισμούς, τους καλούμενους κλώστες,  στο τέλος των νηματογόνων συσκευών. Κατά την έξοδό του το παχύρρευστο υγρό  συμπυκνώνεται ενώ το  pH αλλάζει  και οι πρωτεΐνες συσπειρώνονται. Κατά τη διεργασία της συμπύκνωσης η αράχνη μπορεί και αναρροφά και ανακυκλώνει το νερό. Σημαντικό ρόλο στο γνέσιμο της κλωστής παίζουν επίσης και άλλοι παράγοντες, όπως οι κινήσεις του σώματος της αράχνης.

Το πώς όλοι αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται και πως ο άνθρωπος μπορεί να μιμηθεί την αράχνη ώστε να παρασκευάσει τεχνητό νήμα στο εργαστήριο, αποτελεί ακόμη ανοιχτό πεδίο έρευνας. Στο ESRF, στο ILL και σε άλλα ερευνητικά κέντρα σ’ ολόκληρο τον κόσμο η Βιομιμητική αποτελεί μια σημαντική απόπειρα του ανθρώπου για να παρασκευάσει σημαντικά φυσικά υλικά τα οποία θα αποτελέσουν μια νέα γενιά φτηνών και πιο φιλικών προς το περιβάλλον υλικών.

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 –Για περισσότερες λεπτομέρειες για τη χρήση της ακτινοβολίας σύγχροτρον, βλέπε: Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: science to the rescue! Science in School 1: 26-29.

Πηγές

ESRF (2006) Nature inspires technology. ESRF Newsletter, Issue 43, June.

Forbes P (2005) The Gecko’s Foot. London, UK: Fourth Estate

Sapede D (2006) Contributions à la compréhension de la structure et de la dynamique hiérarchiques du fil de traîne de l’araignée. PhD thesis. Grenoble, France: Université Joseph Fourier.

Vincent JFV (2007) Is traditional engineering the right system with which to manipulate our world? Science in School 4: 56-60.