ŠtudentEdini pravi spletni portal za mlade

Raziskovalci na Univerzi Tufts v ZDA so ustvarili prvo tehnologijo izstreljevanja mreže, pri kateri lahko tekoči material izstreli iz igle, se takoj strdi kot vrvica ter se oprime predmetov in jih dvigne. Na kratko, raziskovalci so ustvarili Spider-Man mrežo.

Spider-Manova mreža

Ta lepljiva vlakna izvirajo iz kokonov svilenega molja, ki se prekuhajo v raztopini in razgradijo v svoje gradnike beljakovine, imenovane fibroin. Raztopino svilenega fibroina je mogoče ekstrudirati skozi igle z ozkimi izvrtinami, da se oblikuje tok, ki se s pravimi dodatki strdi v vlakno, ko je izpostavljen zraku.

Narava je prvotni navdih za polaganje svilenih vlaken v vrvice, mreže in kokone. Pajki, mravlje, ose, čebele, metulji, molji, hrošči in celo muhe lahko na neki točki svojega življenjskega cikla proizvajajo svilo.

Medtem ko so dosegli pomemben napredek z materiali na osnovi svile, raziskovalci doslej še niso posnemali mojstrstva pajkov, ki lahko nadzorujejo togost, elastičnost in lepilne lastnosti niti, ki jih predejo.

Mreža ustvarjena po naključju

Do preboja je prišlo čisto po naključju. »Delal sem na projektu izdelave izjemno močnih lepil z uporabo svilenega fibroina in med čiščenjem steklovine z acetonom sem opazil, da se je na dnu kozarca oblikoval mrežasti material,« je povedal Marco Lo Presti, raziskovalni asistent na Univerzi Tufts.

Naključno odkritje je premagalo več inženirskih izzivov pri posnemanju pajkovih niti. Raztopine svilenega fibroina lahko v nekaj urah počasi tvorijo poltrden hidrogel, če so izpostavljene organskim topilom, kot sta etanol ali aceton. Toda prisotnost dopamina, ki se uporablja pri izdelavi lepil, je omogočila skoraj takojšen začetek strjevanja. Ko so organsko topilo hitro vmešali, je raztopina svile hitro ustvarila vlakna z visoko natezno trdnostjo in lepljivostjo. Dopamin in njegovi polimeri uporabljajo isto kemijo, kot jo uporabljajo rane, da oblikujejo vlakna, ki se trdno držijo površin.

Naslednji korak je bilo vrtenje vlaken v zraku. Raziskovalci so raztopini svilenega fibroina dodali dopamin, za katerega se zdi, da pospeši prehod iz tekočega v trdno tako, da potegne vodo stran od svile. Ko se ga prestreli skozi koaksialno iglo, je tanek curek raztopine svile obdan s plastjo acetona, ki sproži strjevanje. Aceton izhlapi v zraku, tako da ostane vlakno pritrjeno na kateri koli predmet, s katerim pride v stik. Raziskovalci so izboljšali raztopino svilenega fibroina in dopamina s hitozanom, derivatom eksoskeletov žuželk, ki je dal vlaknom do 200-krat večjo natezno trdnost, in boratnim pufrom, ki je povečal njihovo oprijemljivost za približno 18-krat.

Mreža je dokaj močna

Naprava lahko izstreli vlakna, ki lahko pod različnimi pogoji poberejo predmete, ki presegajo 80-kratno lastno težo. Raziskovalci so to dokazali tako, da so z razdalje približno 12 centimetrov dvignili različne predmete, med drugimi tudi laboratorijsko cev.

Lo Presti je omenil, da »če pogledate naravo, boste ugotovili, da pajki ne morejo splesti svoje mreže. Običajno predejo svilo iz svoje žleze, fizično pridejo v stik s površino in narišejo črte, da zgradijo svoje mreže. Predstavljamo način, kako izstreliti vlakno iz naprave, se nato oprijeti in pobrati predmet od daleč, namesto da bi to delo predstavili kot material, ki ga je navdihnil biološki material. Je v resnici material, ki ga je navdihnil superjunak.«

Naravna pajkova svila je še vedno približno 1000-krat močnejša od umetnih vlaken v tej študiji. Toda z malo dodane domišljije in inženiringa se bo inovacija še naprej izboljševala in utirala pot različnim tehnološkim aplikacijam.

Raziskovalci so dosegli pomemben napredek v pretvorbi ogljikovega dioksida (CO₂) v uporabne produkte z uporabo kombinacije vidne svetlobe in elektrokemijskih tehnik. Nepričakovano so odkrili tudi izboljšanje ene izmed ključnih kemijskih lastnosti – selektivnost. Ugotovitve kažejo, da vidna svetloba ne vpliva zgolj na hitrost reakcije, ampak znatno povečuje selektivnost, kar odpira nove možnosti za številne kemijske procese, vključno s katalizo, ki igra ključno vlogo v kemični industriji.

Elektrokemijska redukcija CO₂

Elektrokemijska redukcija CO₂ je eden izmed uveljavljenih postopkov za recikliranje tega plina. V tem procesu CO₂ prehaja skozi elektrolizno celico, kjer se razcepi na ogljikov monoksid in vodik, ki sta ključni sestavini za proizvodnjo ogljikovodikovih spojin. Profesor kemije na Univerzi Illinois v Urbana-Champaignu, Prashant Jain, pojasnjuje, da je ta proces običajno počasen in zahteva velike elektrode z dragimi katalizatorji, kot sta zlato ali baker. Njegova raziskovalna skupina si prizadeva pospešiti postopek in zmanjšati količino potrebnega katalizatorja, da bi proizvodnja alternativnih goriv postala cenovno dostopnejša.

V novi študiji, objavljeni v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences, sta Jain in njegov nekdanji doktorski študent Francis Alcorn predstavila inovativno metodo, ki združuje vidno svetlobo z nanodelci zlitine zlata in bakra. Ta metoda omogoča bistveno hitrejšo pretvorbo CO₂ in zagotavlja višjo selektivnost kot prejšnje metode. Jain pojasnjuje, da te elektrode delujejo kot »antene«, ki zajemajo fotone iz vidnega spektra in jih usmerjajo v kemijsko reakcijsko pot. V laboratoriju elektrode potopijo v raztopino CO₂, vode in elektrolita, svetlobni žarki laserske naprave pa sprožijo reakcijo, kar vodi do učinkovitejšega nastanka ogljikovega monoksida in vodika.

Izboljšana selektivnost kemijskih reakcij

Največje presenečenje za raziskovalno skupino je bilo povečanje selektivnosti, saj vidna svetloba ni le pospešila reakcije, temveč tudi spremenila njen potek. To je omogočilo boljši nadzor nad proizvodnjo želene kombinacije produktov.

Selektivnost, kot poudarja Jain, je ključna za usmerjanje kemijske reakcije v želeno smer, kar je še posebej pomembno za industrijske aplikacije.

Ena izmed pomembnejših ugotovitev študije je, da vidna svetloba omogoča prilagajanje razmerja med ogljikovim monoksidom in vodikom. To je bistvenega pomena za sintezne pline, ki se uporabljajo v kemični industriji, in predstavlja pomemben korak k bolj trajnostnim in energetsko učinkovitim procesom v prihodnosti.

Vpliv toplote in električnih polj

Uporaba svetlobe v kemijskih reakcijah je predmet razprav, saj lahko toplota, ki jo svetloba prinese, vpliva na rezultate. Vendar je ekipa skrbno izmerila učinke toplote in izključila njen vpliv na izboljšano produktivnost. Poskusi so pokazali, da so za večjo selektivnost in hitrejšo reakcijo odgovorna električna polja ter usmerjen pretok nabojev, ki jih sproži svetlobna ekscitacija, ne pa toplota.

Kljub obetavnim rezultatom se raziskovalci še vedno soočajo z izzivi. Dolgotrajna uporaba nanodelcev v elektrodah lahko vodi do njihove degradacije, zlasti pri večjih obremenitvah, ki so potrebne za industrijsko uporabo. Prav tako bo potrebnih še več raziskav za izboljšanje energetske učinkovitosti postopka in optimizacijo upravljanja svetlobe.

Nova smer razvoja v elektrokemiji in katalizi

Jain poudarja, da študija prinaša povsem nov pristop k razumevanju elektrokemijskih procesov in katalize. Svetloba ni le pospešila reakcije, ampak je spremenila tudi selektivnost katalizatorja, kar odpira nove možnosti za razvoj različnih kemijskih poti in proizvodnjo novih produktov. Potencial te tehnologije se ne omejuje zgolj na pretvorbo CO₂ in razcep vode, temveč bi jo lahko uporabili tudi pri drugih pomembnih katalitičnih reakcijah v kemični industriji.

Z uporabo kombinacije vidne svetlobe in elektrokemije raziskovalci odpirajo nove poti k učinkovitejšemu in cenovno dostopnejšemu recikliranju CO₂. Povečanje selektivnosti in prilagajanje produktov dajejo tej tehnologiji velik potencial za prihodnje aplikacije, še posebej v smeri trajnostne proizvodnje goriv in kemikalij.

Dr. Slavko Polak, kustos biolog iz Notranjskega muzeja Postojna, je postavil Slovenijo na zemljevid zgodovine. Pri raziskovanju Uršnje luknje pri Šembijah je našel impresivno odkritje. Ni le našel sledi živali, ki so živele pred 150.000 in 170.000 let.

Med njimi so bili ostanki nosoroga, rdečega volka, svizca in ježevca. Našel je tudi dokaze, da so na tem območju živeli neandertalci. Še bolj nenavadno pa je dejstvo, da teh najdb niso odkrili v tleh, ampak na stropu jame. »To je bila moja življenjska evreka.«

Na poti do skrivnostne jame

Pot do jame vodi mimo pašnikov, skozi gozd in visoko travo, vzdolž kraškega roba, ki se konča z več deset metrov visokimi prepadnimi stenami. Približno dvajset minut hoje je do Uršnje luknje – kraške jame, dolge le 15 metrov, a bogate z odkritji, ki segajo več kot 150.000 let v preteklost.

»Tako stari sedimenti so pri nas prava redkost,« je pojasnil dr. Polak. Kot primerjavo je navedel znano arheološko najdišče Divje babe, kjer so našli piščal in kjer so sedimenti stari med 35.000 in 116.000 leti.

Nova odkritja po stoletju zatišja

Uršnjo luknjo so prvič raziskovali že v 19. stoletju, vendar se je tedanji zapis o najdbah izgubil, in jame nato dolga leta ni raziskoval nihče. Med letoma 1982 in 2015 je sledilo drugo obdobje raziskav, ko sta dr. Polak in zooarheolog Borut Toškan našla 252 fosilnih ostankov kosti in zob. Nato pa je leta 2016 prišlo do preboja. Pavel Jamnik in Bruno Blažina sta opazila odlomke kremena, kar je bilo jasen dokaz, da jama ni le paleontološko, temveč tudi arheološko najdišče. V njej so neandertalci uporabljali orodje iz kremena, kar je odkritje dvignilo na povsem novo raven.

»V breči — to je zlepljen skupek ostrih kamnov, ilovice in gline, ki ga prepojijo apnenčaste vode — smo našli koščke kremena,« je razložil dr. Polak. »Neandertalci niso uporabljali peščenjaka ali apnenca, saj sta premehka, ampak so uporabljali kremen, ki je izjemno oster in z njim so rezali meso s kosti.« Sledovi na kosteh jasno kažejo na to, kako so praljudje te kose uporabljali v kameni dobi.

Skrivnost nosoroga in starejših sedimentov

Sprva so raziskovalci menili, da so najdbe stare med 92.700 in 56.200 leti, kot so kazale prve analize. Vendar se je teorija spremenila z odkritjem pogačice merkovega nosoroga, kar je nakazovalo, da so sedimenti še starejši. Po pridobitvi dovoljenja ministrstva za naravne vire in prostor so sledili še bolj obsežni izkopi, ki so razkrili še večje bogastvo: več kosti in zob jamskega medveda, čeljust rdečega volka, ki danes prebiva v Aziji, čeljust ježevca ter kosti divjega konja.

Še posebej zanimivo je dejstvo, da so bile številne dolge kosti velikih sesalcev namensko razbite. To je močan dokaz, da so v Uršnji luknji bivali neandertalci, saj so kosti razbijali, da bi prišli do kostnega mozga, ki je bil pomemben del njihove prehrane. Vzorce sige so poslali na datacijo, ki je potrdila, da so najdbe stare med 150.000 in 170.000 leti.

Idealna lokacija za neandertalce

Najdbe, stare med 150.000 in 170.000 leti, raziskovalci zdaj povezujejo s posebno lokacijo jame, ki je bila idealna za naselitev neandertalcev. »Če bi bil neandertalec, bi se naselil tukaj,« meni dr. Polak, saj je jama dovolj velika, suha in skrita. Poleg tega se nahaja ob pomembnem prehodu za migracije živali, kar pomeni, da je bila hrana dostopna brez velikega truda. »Hrana je dobesedno sama prihajala,« dodaja dr. Polak.

Nenavadna odkritja na stropu jame

Najbolj presenetljiv del odkritja pa je bil način, kako so našli ostanke – na stropu jame. To je precej nenavadno, saj živali in ljudje do stropa jame niso mogli priti. Raziskovalci domnevajo, da je material, ki je danes na stropu, pred tisočletji pritekel skozi jamske rove skupaj z naplavljenim kamenjem in sedimenti.

Zaščita Uršnje luknje

Zaradi pomena najdb je Uršnja luknja v postopku pridobivanja statusa arheološkega najdišča. Dr. Polak opozarja, da je vsakršno odstranjevanje predmetov iz jame prepovedano, saj lahko nepremišljena dejanja močno poškodujejo dragocene sedimente in odvzamejo ključne informacije za nadaljnje raziskave.

Dr. Polak prav tako poziva javnost, naj morebitna odkritja vedno prijavi Zavodu za varstvo narave, saj lahko ena sama kost brez konteksta raziskavam odvzame ključne informacije. Opozori tudi, da nevedni raziskovalci s svojim ravnanjem lahko nepopravljivo poškodujejo zgodovinske plasti, ki nam pripovedujejo zgodbo o življenju v preteklosti.

Okno v preteklost našega ozemlja

Odkritja v Uršnji luknji so edinstvena za našo regijo in nudijo neprecenljiv vpogled v življenje na naših tleh pred tisočletji. Fosilni ostanki in najdbe neandertalčevega orodja pričajo o bogatem in raznolikem ekosistemu ter o prisotnosti naših prednikov. S temi raziskavami znanstveniki ne odkrivajo le preteklosti, ampak tudi postavljajo temelje za nadaljnje raziskave in odkritja, ki bodo še naprej razkrivala zgodovino človekovega razvoja na območju današnje Slovenije.