خنک سازی: شیوه های سازگاری مورچه های نقره ای صحارا برای راندن حرارت
مورچه های نقره ای صحارا می توانند امواج الکترومغناطیسی را در گسترده بسیار وسیعی از طیف الکترومغناطیسی کنترل کنند. محققان موفق به کشف دو استراتژی مورد استفاده مورچه های نقره ای صحارا به منظور خنک ماندن در یکی از داغ ترین زیست محیط های جهان شده اند. محققان برای اولین بار نشان داده اند که بدن مورچه های مزبور پوشیده از موهایی منحصر به فرد است که با استفاده از آن امواج الکترومغناطیسی را در گستره بسیار وسیعی از طیف خورشیدی گرفته تا طیف تابش حرارتی کنترل کرده و به علاوه، برای کاستن از میزان درجه حرارت بدن خود از مکانیسم های فیزیکی متنوعی نیز در طیف گروه های مختلف بهره گیری می کنند.
دو تصویر بزرگ از مورچه نقره ای: سمت چپ: مورچه های نقره ای صحارا طی آفتاب روزانه به کاوش می پردازند و همانند قطرات جیوه غلتان بر سطح بیابان به نظر می رسند. سمت راست: ظاهر نقره ای این مورچه ها به خاطر صف انبوه موهایی است که شکل منحصر به فردی دارند.
نان فانگ سو، استادیار فیزیک کاربردی در Columbia Engineering و همکاران وی از دانشگاه زوریخ و دانشگاه واشنگتن موفق به کشف دو استراتژی کلیدی شده اند که مورچه های نقره ای صحارا با استفاده از آنها در یکی از داغ ترین محیط های موجود روی کره زمین خود را خنک نگاه می دارند. تیم یو و همکارانش اولین محققانی هستند که ثابت کرده اند این مورچه ها از پوششی از موهای دارای شکل منحصر به فرد برای کنترل امواج الکترومغناطیسی طی گستره بسیار وسیعی، از طیف های خورشیدی گرفته (اشعه فروسرخ مرئی و غیرمرئی) تا طیف اشعه حرارتی (اشعه فروسرخ میانی) استفاده می کنند، همین طور مورچه های یادشده از مکانیسم های فیزیکی مختلفی در در طیف گروه های مختلف برای اعمال کارکرد بیولوژیکی کاهش درجه حرارت بهره گیری می کنند.
تحقیق دانشمندان مزبور با عنوان "مورچه های نقره ای صحارا و استفاده از ترکیبی از انعکاس نوری تقویت شده و اتلاف حرارت تابشی برای خنک ماندن" در تاریخ 18 ژوئن در مجله Science به چاپ رسیده است. یو اظهار می دارد: "موردی که تیم تحقیقاتی ما مطالعه کردند نمونه گویایی است که نشان میدهد تکامل موجب سازگاری خصوصیات فیزیولوژیکی یک جاندار برای محقق سازی هدفی خاص و اطمینان از بقای آن شده است به نحوی که مورچه های نقره ای صحارا توانسته اند خود را از حرارت سوزان حفظ نمایند. هرچند در زمینه اپتیک فیزیکی سیستم های زنده در ماوراء بنفش و محدوده مرئی این طیف مطالعات بسیاری انجام گرفته است، ولی درک ما از نقش نور مادون قرمز در زندگی ارگانیسم ها بسیار ابتدایی است. مطالعه ما نشان می دهد نقش نور نامرئی در زندگی موجودات زنده، که چشم انسان توان دیدش را ندارد چیز کم اهمیتی نیست."
کلید شروع پروژه تحقیقاتی مزبور از اینجا زده شد که آیا پوشش منحصر به فرد مورچه های نقره ای در خنک نگاه داشتن این موجودات طی حرارت سوزان صحارا نقش بازی می کند یا خیر. تیم یو بعد از دریافتن نقش مهم نور مادون قرمز متوجه شد که پاسخ سوال بسیار گسترده تر از آن چیزیست که پیش از این تصور می شد. کشف این تیم تحقیقاتی که حاکی از وجود راه حل زیستی برای مقابله با مشکل تنظیم حرارت است، می تواند منتهی به توسعه قطعات نوری مسطحِ دارای خصوصیات خنک کنندگی بهینه شود.
یو در توضیح این مسئله می افزاید: "چنین سطوح خنک کننده ای که ملهم از بیولوژی هستند، در طیف خورشیدی دارای بازتاب بالا و در طیف تابش حرارتی نیز بازده تابشی بالا خواهند داشت. در نتیجه می توان از این سطوح به عنوان سطوح خنک کننده در ماشین ها، ساختمان ها، ابزار و حتی پوشاک استفاده کرد."
مورچه های نقره ای صحارا (Cataglyphis bombycina) هنگامی که درجه حرارت سطح شن های بیابان به 70 درجه سانتی گراد می رسد در ظهر داغ به کاوش و جستجوی خود ادامه می دهند و لازم است برای بقای خود بیشتر اوقات درجه حرارت بدنشان را زیر حداکثر دمای حرارتی قابل تحملشان یعنی کمتر از 53.6 درجه سانتی گراد نگاه دارند. مورچه ها در مسیرهای طولانی که به کنکاش می پردازند بدنبال لاشه حشرات و سایر بندپایان تلف شده می گردند که در مقابل شرایط غیر قابل تحمل صحرا از پا درآمده اند، شرایطی که مورچه های نقره ای به خوبی از پس تاب آوردنشان برمی آیند. فعال بودن در داغ ترین لحظات روز همچنین این مزیت را در پی دارد که مورچه ها از گزند سوسمارهای شکارچی بیابان هم در امان هستند. محققان از مدت ها پیش در پی دانستن راز بقای مورچه های ظریف نقره ای (که حدود 10 میلی متر طول دارند) آنهم تحت چنین شرایط سخت و صعب زیستی بودند.
تیم یو با بهره گیری از میکروسکوپ الکترونی و آسیاب کردن پرتو یون دریافتند مورچه ها روی سر و طرفین بدن خود دارای پوششی از مو با شکل منحصر به فرد و مقاطع عرضی مثلثی می باشند که آنها را به دو طریق خنک نگاه می دارد. این موها تحت نورمرئی و مادون قرمز تقریبا مرئی، یعنی در منطقه تابش حداکثری خورشیدی خاصیت بازتابندگی بسیار بالایی دارند (مورچه ها با سرعت حداکثر 0.7 متر در ثانیه راه می روند و مانند قطرات جیوه غلتان روی سطح بیابان به نظر می رسند). موی مورچه ها همچنین در بخش میانیِ مادون قرمزِ طیف الکترومغناطیسی، خاصیت بازتابندگی بالایی دارد، به نحوی که به عنوان لایه ضد انعکاسی عمل کرده و توانایی این حشرات را برای بازتاب دادن حرارت اضافی از طریق تابش حرارتی تقویت می کند، آنگاه حرارت اضافی از بدن داغ مورچه ها به سمت آسمان سرد بازتابانده می شود.
یو ادامه می دهد: "برای درک بهتر اثر تابش حرارتی می توانید لرزی را که صبحگاه به هنگام برخاستن از رختخواب به شما دست می دهد در نظر بیاورید. نیمی از اتلاف انرژی که در چنین لحظه ای رخ می دهد به خاطر تابش حرارتی است زیرا درجه حرارت پوست شما در این وضعیت موقتا بالاتر از محیط اطراف می باشد."
محققان متوجه شدند که افزایش بازتاب در طیف خورشیدی و بازده تابش حرارتی تقویت شده نقش مهمی را در کاهش درجه حرارت مورچه نقره ای ایفا می کند، آنهم به میزان 5 الی 10 درجه در قیاس با وضعیتی که مورچه ها هیچ مویی نداشته باشند. «نورمن نان شی» نویسنده ارشد مطالعه و دانشجوی دوه پی اچ دی که همکار یو در Columbia Engineering است اظهار می دارد: "این حقیقت که مورچه های نقره ای قادرند امواج الکترومغناطیسی را در چنین گستره وسیعی از طیف نوری دستکاری کنند نشاندهنده آنست که کارکرد ارگان های زیستی مورچه ها که در ظاهر بسیار ساده به نظر می رسد چقدر پیچیده است."
یو و شی برای تکمیل پروژه تحقیقی خود با رودیگر ونر استاد موسسه تحقیقات مغز از دانشگاه زوریخ سوییس و گری برنارداتاد، مهندس برق در دانشگاه واشنگتن در سیاتل همکاری کردند، این دو نفر در امر مطالعه فیزیولوژی و اکولوژی حشرات متخصص هستند. تیم Columbia Engineering به کار طراحی و هدایت تمامی مراحل آزمایشی این مطالعه پرداختند، از جمله آزمایشهای مزبور می توان به میکروسکوپ نوری و مادون قرمز و طیف سنجی، آزمایش ترودینامیک و شبیه سازی و مدلسازی کامپیوتری اشاره داشت. درحال حاضر محققان یادشده مشغول انطباق درس های مهندسی آموخته شده از مطالعه مورچه های نقره ای صحارا هستند تا از آنها برای خلق اجزای ایپتیکال مسطح یا "متاسطح" استفاده کنند که متشکل از یک آرایه مسطح از عناصر نانونوری جدید بوده و واجد خواص تابشی نوری و حرارتی می باشد. یو و تیم همکارانش قصد دارند در گام بعدی تحقیق خود را به سایر حیوانات و ارگانیسم هایی که در شرایط صعب زیستی به سر می برند گسترش بدهند و سعی در یادگیری استراتژی هایی دارند که این موجودات برای روبرو شدن با شرایط سخت زیستی از آنها بهره می گیرند.
یو اضافه می کند: "حیوانات به منظور درک و استفاده از امواج الکترومغناطیسی استراتژی های متنوعی را برای خود تدوین کرده اند، به عنوان مثال چشم های ماهیانی که در آبهای عمیق به سر می برند آنها را قادر به مانور دادن و شکار کردن در عمق تاریک می سازد، پروانه ها از نانوساختارهای موجود در بال خود رنگ درست می کنند، زنبورهای عسل توانایی دیدن و واکنش نشان دادن به سیگنال های فوق بنفش را دارند و کرم های شب تاب نیز از سیستم های ارتباطی فلاشی استفاده می کنند. ارگان هایی که از درک و کنترل امواج الکترومغناطیسی تکامل یافته اند و اغلب هم از نظر بهینگی و هم از نظر پیچیدگی از دستگاه های آنالوگ ساخت دست انسان نیز فراتر هستند. برای شناخت و مهار مفاهیمِ طراحی طبیعی بایستی دانش مان را در مورد سیستم های پیچیده بیولوژیکی ارتقا ببخشیم تا از این طریق بتوان دست به کار خلق فناوری های بی همتا شد."
درباره نویسنده
