การประยุกต์ใช้ความเหนียวของกาวจากใยแมงมุมเพื่อแก้ปัญหาการหลุดร่อนของสีทาผนังในสภาวะที่มีความชื้น

เคยสงสัยหรือไม่ ว่าทำไมต้องทำการทาสีผิวด้านนอกของกำแพงในช่วงที่มีความชื้นสูงของฤดูร้อน ซึ่งจริงๆ แล้วมันเป็นเหตุผลเดียวกับที่ว่าทำไมผ้าพันแผลจึงแยกออกจากผิวหนังเมื่อเราอาบน้ำหรือว่ายน้ำ

แรงยึดเหนี่ยวของน้ำ เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นชั้นที่สามารถลื่นไถลและไม่มีการยึดเกาะกันระหว่างชั้น การเอาชนะผลกระทบของแรงยึดเหนี่ยวของน้ำเป็นหนึ่งในความท้าทายที่นักพัฒนาผลิตภัณฑ์กาวอุตสาหกรรมในความสนใจ และเพื่อที่จะหาแนวทางพิสูจน์ความท้าทายดังกล่าว คณะนักวิจัยจาก The University of Akron (UA) จึงได้ทำการศึกษาหาวัสดุที่มีความแข็งแรงซึ่งพบได้ในไหมของใยแมงมุมธรรมชาติ และถือว่ามีสมบัติเป็นกาวที่ดีที่สุดของธรรมชาติ

ลักษณะชั้นกาวเหนียวที่เคลือบอยู่บนไหมของใยแมงมุมเป็นไฮโดรเจลที่เต็มไปด้วยองค์ประกอบของน้ำ โดยปกติแล้วแมงมุมควรจะมีปัญหาในการจับเหยื่อโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่มีความชื้นสูง แต่กระนั้นพวกมันไม่ได้ประสบปัญหาดังกล่าวเนื่องจากในความเป็นจริงชั้นกาวเหนียวบนไหมของใยแมงมุมมีสมบัติเป็นกาวทางชีวภาพที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดแห่งหนึ่งในธรรมชาติ

กาวจากใยแมงมุมสามารถยึดติดอยู่ในสภาพที่มีความชื้นสูงได้อย่างไร คำถามนี้เป็นที่มาเพื่อการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์โดย คณะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก The University of Akron ประกอบด้วย Saranshu Singla, Gaurav Amarpuri และ Nishad Dhopatkar ซึ่งทำงานร่วมกับ Dr. Ali Dhinojwala รักษาการคณบดีวิทยาลัยด้านวิทยาการและวิศวกรรมพอลิเมอร์ (College of Polymer Science and Polymer Engineering) และ Prof. Dr. Todd Blackledge ศาสตราจารย์สาขาชีววิทยาในโปรแกรม Integrated Bioscience โดยอาจารย์ทั้ง 2 เป็นนักวิจัยหลักในศูนย์นวัตกรรมการวิจัยทางชีววิทยาของ The University of Akron ซึ่งเชี่ยวชาญในการศึกษาพฤติกรรมการเลียนแบบรูปแบบกระบวนการทางชีวภาพเพื่อการแก้ปัญหาและพิสูจน์ความท้าทายทางเทคนิค

การศึกษาค้นพบของทีมวิจัยนี้ เป็นแนวทางหนึ่งในการพัฒนากาวเชิงพาณิชย์ที่มีความแข็งแกร่งและต่อสู้กับสภาวะที่มีความชื้นได้เป็นอย่างดี Singla และทีมวิจัย ได้ตรวจสอบความลับเบื้องหลังความสำเร็จว่า แมงมุมชนิดที่ศึกษานี้เป็นชนิด Larinioides cornutus ซึ่งพบได้โดยทั่วไป วิธีการที่จะเอาชนะอุปสรรคเพื่อการบรรลุหลักฐานการยึดเกาะที่ดีในสภาพผิวที่มีความชื้นที่จึงได้ทำการตรวจสอบโดยได้นำกาวที่ได้จากไหมของใยแมงมุมมาวางลงบนพื้นผิวของแผ่นแซฟไฟร์เพื่อตรวจสอบองค์ประกอบทางเคมีโดยใช้เทคนิคทางสเปคโตรสโกปีที่มีความว่องไวสูงต่อพื้นผิวร่วมกับเทคนิคอินฟราเรดสเปกโตรสโกปี ผลการตรวจสอบพบว่า กาวจากใยแมงมุม ประกอบด้วย 3 องค์ประกอบหลัก คือ สารประกอบไกลโคโปรตีนน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (LMMCs) ชนิดอินทรีย์และอนินทรีย์ และโมเลกุลของน้ำ โดยที่ไกลโคโปรตีนน้ำหนักโมเลกุลต่ำจัดเป็นสารดูดความชื้น (ดึงดูดน้ำ) ซึ่งช่วยให้กาวมีความนุ่มและมีความเหนียวต่อการยึดติดที่ดี

Singla และทีมวิจัย พบว่า ชั้นไกลโคโปรตีนเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวยึดหลักระหว่าชั้นผิว นอกจากนี้กาวที่มีส่วนประกอบหลักเป็นไกลโคโปรตีนได้มีการระบุและถูกบรรจุว่าเป็นกาวทางชีวภาพ โดยสามารถพบได้ในจุลินทรีย์หลายชนิด เช่น เชื้อรา สาหร่าย ไดอะตอม ดาวทะเล ปลาในวงศ์ปลาเหล็กใน และไม้เลื้อย เป็นต้น แต่ด้วยเหตุใดน้ำที่อยู่ในกาวใยแมงมุมนั้นจึงไม่รบกวนการยึดเกาะกันของกาวบนพื้นผิวสัมผัสเช่นเดียวกับกาวสังเคราะห์ ทีมวิจัย ได้ให้ข้อสรุปว่า ชั้นไกลโคโปรตีนน้ำหนักโมเลกุลต่ำ (LMMCs) นั้นมีหน้าที่ในการกักเก็บความสามารถด้านแรงยึดเหนี่ยวของน้ำไว้เพื่อป้องกันความล้มเหลวของสมบัติความเป็นกาว โดย Singla และทีมวิจัย ระบุว่าความสัมพันธ์ระหว่าง ไกลโคโปรตีน (Glycoproteins) และ น้ำหนักโมเลกุลต่ำของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ (LMMCs) สามารถควบคุมคุณภาพกาวที่ผลิตขึ้นโดยมีสัดส่วนต่างกันไปตามแต่ละชนิด โดยปัจจัยสำคัญต้องเพิ่มความแข็งแรงของกาวให้เหมาะสมกับความชื้นสัมพัทธ์ของพฤติกรรมการอยู่อาศัยของแมงมุม

ลักษณะที่คล้ายกับสารดูดความชื้น หรือ ตัวดูดซับน้ำที่พบในกาวใยแมงมุมนั้น มีบทบาทสำคัญที่ยังไม่เคยมีการศึกษามาก่อนว่าช่วยในเรื่องของการกำจัดโมเลกุลน้ำออกจากขอบเขตหลักของการศึกษา ซึ่งจะช่วยป้องกันความเสียหายของสมบัติของกาวใยแมงมุมกรณีที่มีความชื้นสูงได้ โดยงานวิจัยนี้เป็นหนึ่งในหลายๆงานวิจัยที่มีโอกาสพัฒนาในเชิงพาณิชย์ โดยหากลองนึกถึงภาพของสีที่ได้รับการรับประกันคุณภาพภายใต้การใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ฝนตกหรือสัมผัสกับแสงตลอดเวลาจะมีผลดีอย่างไร

ที่มา : https://phys.org/news/2018-06-spider-sticky-problem.html และ

Singla, S., Amarpuri, G., Dhopatkar, N., Blackledge, T.A. and Dhinojwala, A., 2018, Hygroscopic compounds in spider aggregate glue remove interfacial water to maintain adhesion in humid conditions, Nature Communications, Vol. 9, No. 1890, DOI: 10.1038/s41467-018-04263-z.

Leave a Reply

Your email address will not be published.