โหนใยแบบ “สไปเดอร์แมน” ทำได้จริงไหม?

Hilight

ใยแมงมุมตามธรรมชาติ มีความบางกว่าเส้นผมมนุษย์ 40 เท่า แต่ถ้าเทียบในน้ำหนักที่เท่ากัน มันอาจแข็งแรงมากกว่าเหล็ก
ความยืดหยุ่นของใยแมงมุมเกิดจากโปรตีนที่มีลักษณะเป็นนาโนคริสตัล ช่วยให้มีความเหนียว แต่ยืดหยุ่น ในเวลาเดียวกัน
เมื่อนำค่าความทนต่อแรงดึง (tensile strength) ของใยแมงมุมที่สไปเดอร์แมนใช้มาคำนวณ พบว่ามีความเป็นไปได้ที่สไปเดอร์แมนสามารถโหนใยได้จริง ๆ
หากสไปเดอร์แมนใช้ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) เป็นส่วนประกอบหลักของใย จะทำให้มีความแข็งแรงขึ้นอีกหลายเท่า

เคยมีความฝันอยากจะมีพลังพิเศษกันบ้างไหม? ไม่ว่าจะพลังการควบคุมเวลา พลังเหาะเหินเดินอากาศ หรือพลังการอ่านจิตใจผู้คน ล้วนเป็นพลังพิเศษยอดนิยม ที่ผู้คนใฝ่ฝันถึง แต่หากนึกต่อไปอีกว่าในโลกของภาพยนตร์ และจักรวาลน้ำหมึกในหนังสือการ์ตูน ฮีโร่พลังเหนือมนุษย์ที่โด่งดังที่สุดคนหนึ่ง เขาควบคุมเวลาไม่ได้ บินก็ไม่ได้ อ่านใจคนอื่นนี่ยิ่งไม่ต้องพูดถึง ความสามารถของเขาคือ การพ่นใยออกมาทางข้อมือของเขา เพื่อห้อยโหนไปยังที่ต่าง ๆ และใช้มันจัดการกับเหล่าวายร้าย ฮีโร่ที่ผมพูดถึงก็คือ “สไปเดอร์แมน” ตัวละครที่ทุกคนหลงรัก และอยากให้มีอยู่บนโลกแห่งความจริงนี้ แล้วคุณจะเชื่อไหมว่า วิทยาศาสตร์อาจทำให้ใยแมงมุมของสไปเดอร์แมน มีอยู่บนโลกของเราได้จริง ๆ

ใยของแมงมุม

ใยแมงมุม เป็นเอกลักษณ์สำคัญที่ทำให้สไปเดอร์แมนโดดเด่นกว่าฮีโร่คนอื่น ๆ นอกจากจะใช้ในการเดินทางได้แล้ว ยังใช้เป็นอาวุธในการต่อกรกับศัตรูด้วย โดยแมงมุมจริง ๆ นั้น ใช้ใยของมันในการเดินทางด้วยจริง ๆ รวมถึงยังใช้ใยเป็นตาข่ายดักจับเหยื่อ และปกป้องลูกหลานของมันจากผู้ล่าได้ด้วย ซึ่งแมงมุมนั้น มีต่อมในร่างกายมากถึง 7 ต่อมที่สามารถสร้างใยแมงมุมขึ้นมาได้

ใยแมงมุมนั้นถูกผลิตขึ้นมาจากต่อมภายในร่างกายของแมงมุมมากถึง 7 ต่อม โดยในภาพคือแมงมุม *Araneus diadematus* มีต่อม 7 ต่อมที่แบ่งตามสี ดังนี้ (สีแดง) Ampullate major – ผลิตเส้นใยหลักที่เอาไว้ใช้เดินและใช้ปล่อยตัวจากที่สูง มีความแข็งแรงและเหนียวมาก, (สีม่วง) Ampullate minor – ผลิตเส้นใยชั่วคราวที่แมงมุมใช้เดินขณะกำลังทอใย, (สีเขียว) Flagelliform – ผลิตเส้นใยที่ใช้สำหรับจับเหยื่อซึ่งมีความยืดหยุ่นสูงมาก และใช้ส่งสัญญาณเมื่อเหยื่อติดกับ, (สีฟ้า) Aggregate – ผลิตเส้นใยที่มีความเหนียวเหมือนกาว, (สีน้ำตาล) Cylindricale – ผลิตเส้นใยตรงจุดศูนย์กลางวงล้อเพื่อใช้เฝ้ารอเหยื่อและผลิตเส้นใยสร้างรังไหม, (สีเหลือง) Aciniformes – ผลิตเส้นใยที่ใช้ห่อหุ้มเหยื่อและห่อหุ้มไข่, (สีส้ม) Piriform – ผลิตเส้นใยสำหรับใช้ประสานกับจุดเชื่อมโยง เช่น กิ่งไม้
ที่มา Zheng Ke

ใยแมงมุมนั้นเกิดจากการประกอบกันของโปรตีนหลายชนิด มีความบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ถึง 40 เท่า แต่ถ้าเทียบในน้ำหนักที่เท่ากัน ใยแมงมุมนั้นมีความแข็งแกร่งยิ่งกว่าเหล็กกล้าเสียอีก โดยโครงสร้างภายในของมันคือเคล็ดลับความแข็งแกร่ง เพราะโปรตีนที่ประกอบเป็นใยแมงมุมนั้น มีรูปร่างเป็นนาโนคริสตัลที่แข็งแรง จึงทำให้ใยแมงมุมมีความเหนียวมาก ไม่ขาดแม้ปลิวไปตามลม นอกจากนี้ โครงสร้างภายในของใยแมงมุมยังสามารถยืดหดได้ ทำให้มันมีความยืดหยุ่น ความพิเศษของใยแมงมุมจึงเป็นการที่มันมีความแข็งแรงและยืดหยุ่นในคราวเดียวกัน ซึ่งฉีกขาดได้ยากมาก

ความเป็นไปได้ ในการโหนใย

แล้วตกลง การโหนตัวไปกับใยเพื่อเดินทางของสไปเดอร์แมนเนี่ย เป็นจริงได้หรือเปล่า ถ้าอยากได้การพิสูจน์แบบชัดเจน อาจจะต้องคำนวณดู โดยใยของแแมงมุม สามารถทนต่อแรงดึง (tensile strength) ได้ประมาณ 1 กิกะปาสคาล หรือประมาณ หนึ่งพันล้านนิวตันต่อตารางเมตร เมื่อแปลงค่าแล้วจะพบว่าใยแมงมุมที่มีพื้นที่ตัดขวาง 1 ตารางเมตร รับน้ำหนักได้มากถึง 100,000 ตัน

ภาพสไปเดอร์แมนจากในเกม ขณะพ่นใยแมงมุม ซึ่งกะขนาดคร่าว ๆ ด้วยสายตา เส้นผ่านศูนย์กลางน่าจะหนาประมาณ 3 มิลลิเมตร
ที่มา Best HD Wallpaper

แต่ขนาดพื้นที่หน้าตัดของใยแมงมุมสไปเดอร์แมนคงจะไม่ใหญ่ถึง 1 เมตร กะคร่าว ๆ จากสายตา ใยแแมงมุมน่าจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3 มิลลิเมตร เพราะฉะนั้น เมื่อกำหนดให้ A คือ พื้นที่หน้าตัดของใยแมงมุม, r คือ รัศมีของพื้นที่หน้าตัดใยแมงมุม และ 𝛑 มีค่าประมาณ 3.14 สามารถเข้าสูตรคำนวณได้ดังนี้

$A = \pi * r^2$

$A = 3.14 * 0.0015^2 m^2$

$A = 0.000007069 m^2$

หลังจากนั้นเราสามารถนำมาหาแรงสถิตที่ทำต่อใยแมงมุมของสไปเดอร์แมนได้ โดยให้ W คือ แรงสถิตที่กระทำต่อใยแมงมุม, A คือ พื้นที่หน้าตัดของใยแมงมุม และ TS คือ ค่าความทนต่อแรงดึงของใยแมงมุม

$W = A * TS$

$W = 0.000007069 m^2 * 10^9 N/m^2$

$W = 7069 N$

นั่นหมายความว่า ใยแมงมุมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3 มิลลิเมตรของสไปเดอร์แมนสามารถรับน้ำหนักได้มากถึง 720 กิโลกรัม แม้ว่าใยแมงมุมของเขาต้องรับแรงที่มากขึ้นหลายเท่า เมื่อเขากระโดดลงมาจากตึก ก่อนจะเหวี่ยงตัวห้อยโหนไปยังตำแหน่งถัดไป แต่มันก็มีความเป็นไปได้ ถ้าหากเขาจะเดินทางด้วยวิธีนี้คนเดียวโดยไม่ต้องอุ้มใคร ให้พวกเราต้องเหม็นความรัก

วัสดุสรรค์สร้าง สุดยอดใยแมงมุม

ปีเตอร์ ปาร์คเกอร์ อาจจะฉลาดกว่าที่เราคิด ด้วยการใช้คุณสมบัติของใยแมงมุม แต่ไม่ได้ใช้วัตถุดิบของใยแมงมุมจริง ๆ โปรตีนที่เป็นนาโนคริสตัลในใยแมงมุม อาจถูกแทนที่ด้วยวัสดุสังเคราะห์อย่างท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) ที่มีความเหนียวและแข็งแรง ซึ่งท่อนาโนคาร์บอนนี้ สร้างจากคาร์บอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของเพชร แต่ทำให้มีขนาดบางมากที่สุดเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่น ก่อนจะม้วนพับให้เกิดเป็นรูปท่ออย่างที่เราเห็นกัน

ท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) ผลิตจากการสังเคราะห์คาร์บอนเป็นแผ่นบาง ๆ เพียงชั้นเดียว เรียกว่ากราฟีน และม้วนพับจนมีลักษณะเป็นท่อ ซึ่งท่อนาโนคาร์บอนมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กประมาณ 100 เท่า
ที่มา ysjournal

เมื่อใช้วัสดุที่เรียกว่าท่อนาโนคาร์บอนแล้ว มันมีความแข็งแรงกว่าใยแมงมุมธรรมดาอย่างมาก จากงานวิจัยต่าง ๆ กล่าวว่า ค่าความทนต่อแรงดึงได้มากถึง 63 กิกะปาสคาล หรืออาจมากกว่านั้นได้ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างทางเคมี ทำให้ จิม คาคาลิออส (Jim Kakalios) นักฟิสิกส์ผู้เขียนหนังสือ ฟิสิกส์ของซูเปอร์ฮีโร่ (The Physics of Superheroes) กล่าวว่า ใยแมงมุมเส้นเล็ก ๆ ของสไปเดอร์แมนนั้น หากทำจากท่อนาโนคาร์บอน อาจรับน้ำหนักได้มากถึงเกือบ 20 ตัน

บทสรุปของฮีโร่ผู้ชอบห้อยโหน

หากใครใฝ่ฝันว่าอยากจะเป็นสไปเดอร์แมน เพื่อนบ้านที่แสนดี ยุคนี้อาจจะไม่ใช่เรื่องยากอีกต่อไป การผลิตใยแมงมุมขึ้นมาไว้ใช้เองสำหรับสไปเดอร์แมน ถือว่าเป็นไปได้มาก ๆ และในตอนนี้ ทั้งวัสดุ และวิธีการในการผลิต ซึ่งได้รับการยืนยันแล้วว่าค่อนข้างจะเป็นไปได้ ในการใช้ใยแมงมุมสังเคราะห์เหล่านี้ โลดโผนโจนทะยานไปตามตึกระฟ้า แต่อาจจะต้องคำนึงถึงเรื่องอื่น ๆ เพิ่มเติม เช่น ความเหนียวของใย ความเร็วของการพ่นใย หรือแม้กระทั่งรูปแบบการพ่นใยต่าง ๆ อย่างที่สไปเดอร์แมนใช้ในภาพยนตร์

แต่เหนือสิ่งอื่นใด สิ่งที่ทำให้สไปเดอร์แมนเป็นซูเปอร์ฮีโร่ ไม่ใช่แค่อุปกรณ์พิเศษ หรือพละกำลังกายที่แแข็งแรงเท่านั้น “แต่พลังที่ยิ่งใหญ่ มาพร้อมกับความรับผิดชอบอันใหญ่ยิ่ง” จิตใจที่อยากจะทำความดี และมีความรับผิดชอบในสังคมต่างหาก ที่ทำให้เขาโดดเด่น จนเป็นซูเปอร์ฮีโร่ที่คนรักมากที่สุดคนหนึ่งเลย