مستوحاة من عنكبوت مائي، ابتكر الباحثون مادة سطحية جديدة تظل جافة لعدة أشهر تحت الماء وتتميز بمقاومة عالية لالتصاق البكتيريا والحياة البحرية مثل البرنقيل. ويقولون إن المادة السطحية سهلة الإنتاج وقابلة للتطوير ولها تطبيقات عملية واسعة.
ما ينجح في الطبيعة غالبًا ما ينجح مع البشر أيضًا. تكمن المشكلة في إنشاء المواد المطلوبة المستوحاة من الحياة باستخدام الأدوات الموجودة، وهو ما يكون قوله في بعض الأحيان أسهل من فعله.
الآن، قام الباحثون بقيادة كلية جون بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) بجامعة هارفارد بذلك، حيث قاموا بتطوير سطح معدني فائق الكارهة للماء مستوحى من عنكبوت مائي؛ أي أنها تطرد الماء ويمكن أن تظل جافة تحت الماء لعدة أشهر.
قالت جوانا أيزنبرج، إحدى المؤلفات المشاركة في الدراسة: "إن أبحاث المواد المستوحاة من الحياة هي مجال مثير للغاية ويستمر في تقديم حلول أنيقة تطورت في الطبيعة إلى عالم المواد التي يصنعها الإنسان، مما يسمح لنا بتقديم مواد جديدة ذات خصائص غير مسبوقة. وتوضح هذه الدراسة كيف يمكن أن يؤدي الكشف عن هذه المبادئ إلى تطوير الأسطح التي تظل مقاومة للماء للغاية تحت الماء".
Argyroneta aquatica، المعروف أيضًا باسم عنكبوت الجرس الغاطس، هو العنكبوت الوحيد المعروف أنه يعيش بالكامل تقريبًا تحت الماء. الملايين من الزغابات الخشنة الكارهة للماء تحبس الهواء حول الجسم، مما يخلق خزانًا للأكسجين ويخلق حاجزًا بين رئتي العنكبوت والماء. تسمى الطبقة الرقيقة من الهواء التي يحبسها شعر العنكبوت بالدرع.
لقد عرف الباحثون منذ عقود أنه من الممكن نظريًا إنشاء هيكل مستقر تحت الماء. ومع ذلك، من الناحية العملية، فإن إنشاء سطح خشن مثل عنكبوت الجرس الغطس من شأنه أن يجعل السطح أقل قوة ميكانيكيًا وعرضة للتغيرات الصغيرة في درجة الحرارة والضغط. وفي التجارب السابقة، يمكن للأسطح أن تبقى جافة لبضع ساعات فقط.
يعرف الباحثون أن قابلية التبلل حساسة للغاية لخصائص السطح على المستوى الجزيئي وتتأثر بشدة بالتضاريس السطحية. لذلك قاموا بإنشاء سطح تيتانيوم محب للهواء - أي سطح يجذب ويطرد فقاعات الهواء أو الغاز - واستخدموا الأكسدة الكهروكيميائية لتشكيل طبقة أكسيد بينما يقومون بإذابة الأكاسيد المتكونة كيميائيًا لإنتاج خشونة بمقياس نانومتر.
ولاختبار ثبات السطح، أخضعه الباحثون للانحناء والالتواء ورذاذ الماء الساخن والبارد، وكشط الرمل والفولاذ، ووجدوا أنه ظل محبًا للهواء. وقد تم نقعه في الماء بشكل مستمر لأكثر من 208 أيام (في وقت نشر الدراسة، كان السطح لا يزال غارقًا في الماء، ولم تظهر عليه أي علامات للتحلل) ومئات المرات في طبق بتري مملوء بالدم. يقلل السطح بشكل كبير من نمو الإشريكية القولونية والبرنقيل ويمنع بلح البحر من الالتصاق تمامًا.
قال ألكسندر تيسلر، المؤلف الأول للدراسة: "لقد استخدمنا طريقة التوصيف التي اقترحها المنظرون قبل 20 عامًا لإظهار أن سطحنا مستقر، مما يعني أننا لم نصنع فقط نوعًا جديدًا من الأسطح شديدة التحمل والطاردة للغاية والمقاومة للماء، ولكن يمكننا القيام بذلك مرة أخرى بمواد مختلفة".
ويقول الباحثون إن السطح له استخدامات متعددة. ويمكن استخدامه في المعدات الطبية الحيوية لتقليل العدوى بعد العملية الجراحية أو منع تآكل الأنابيب وأجهزة الاستشعار تحت الماء. ويمكن استخدامه أيضًا مع مادة أخرى مستوحاة بيولوجيًا طورها فريق SEAS منذ أكثر من 10 سنوات، تسمى تقنية السطح المسامي المملوء بالسائل الزليلي (SLIPS).
قال ستيفان كولي، المؤلف المشارك في الدراسة: "إن استقرار هذا النظام وبساطته وقابلية التوسع تجعله ذا قيمة كبيرة في تطبيقات العالم الحقيقي. ومن خلال طريقة التوصيف المعروضة هنا، نعرض مجموعة أدوات بسيطة تسمح لك بتحسين الأسطح شديدة الكارهة للماء لتحقيق الاستقرار، مما يغير مساحة التطبيق بشكل كبير."
نُشر البحث في مجلة Nature Materials، ويُظهر مقطعا فيديو من إنتاج SEAS أدناه كيف يطرد السطح الجديد الماء والدم.