Инженеры обнаружили, что могут изготовить материал, который более чем в два раза жестче, чем натуральный шелк.
Сложное сочетание молекул, составляющих волокна натурального шелка, приводит к тому, что инженеры не смогли добиться получения материала с аналогичными характеристиками. Несмотря на все усилия по синтезу материала, искусственные сорта по-прежнему не равны по прочности естественным волокнам.
На фотографии показаны регенерированные спиральные шелковые волокна, окрашенные красителями, под ультрафиолетовым светом.
Credit: Courtesy of the researchers
Но, начав с шелка, произведенного шелкопрядами, и химически разрушив его, а затем снова собрав, инженеры обнаружили, что могут изготовить материал, который более чем в два раза жестче, чем его естественный аналог, и может быть сформирован в сложные структуры, такие как сетки и решетки.
Исследователи говорят, что новый материал называется регенерированным шелковым волокном (regenerated silk fiber, RSF) и может применяться во множестве коммерческих и биомедицинских приложений. Полученные результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Некоторые виды шелка, производимые пауками, относятся к числу самых прочных материалов. Но в отличие от шелкопрядов пауки не могут быть выведены для производства волокон в нужных количествах. Различные исследователи пытались сделать синтетический шелк вместо этого, но пока никто не смог получить волокон, которые обладают прочностью естественных сортов.
Вместо этого команда исследователей разработала способ использовать лучшие качества натурального шелка, производимого шелкопрядами, обрабатывая его таким образом, чтобы он стал более прочным и позволял создавать множество новых форм и структур, которые никогда не могли быть сформированы из натурального шелка.
Ключ состоит в том, чтобы разрушить натуральный шелк, но не слишком, говорит команда. То есть они растворяют коконы, созданные шелкопрядами, но не до такой степени, что молекулярная структура материала распадается, а скорее превращается в промежуточную форму, состоящую из микрофибрилл. Эти крошечные нитевидные сборки сохраняют важные иерархические структуры, которые придают шелку прочность.
Хотя шелковая нить и ткань дороги, но стоимость материала в основном связана с трудоемким процессом распутывания нитки из кокона и процесса создания ткани, а не от фактического производства шелкопрядов и их коконов, которые весьма недороги, объясняют исследователи.
Разрушив шелк, а затем выдавливая его через крошечное отверстие, исследователи обнаружили, что они могут производить волокно, вдвое более жесткое, чем обычный шелк, и приближаются к жесткости шелка произведенного пауками. Этот процесс может открыть множество новых возможностей применения шелка. Например, шелк является естественным биосовместимым веществом, которое не вызывает каких-либо побочных реакций в организме, поэтому новый материал может быть идеальным для таких применений, как медицинские швы.
Метод также позволяет исследователям формировать материал способами, которые никогда не могут быть дублированы натуральным шелком. Он может быть сформирован, например, в сетки, трубки, волокна намного толще, чем натуральный шелк, катушки, листы и другие формы. «Мы не удовлетворены тем, что делают шелкопряды, - говорят исследователи. - «Мы хотим создавать наши собственные новые материалы».
И одно из преимуществ нового процесса заключается в том, что его можно выполнять с использованием традиционных технологий производства, поэтому его масштабирование до коммерческих объемов не должно быть трудным. Специфические свойства волокна, включая его жесткость и ударную вязкость, можно регулировать, просто изменяя скорость процесса экструзии.
Эти восстановленные волокна также очень чувствительны к разным уровням влажности, и их можно сделать электропроводными путем добавления тонкого покрытия из другого материала, такого как слой углеродных нанотрубок. Это может позволить их использование в различных чувствительных устройствах, где поверхность, покрытая слоем или сеткой таких волокон, может реагировать на нажатие кончика пальца или на изменения окружающих условий.
Источник: Shengjie Ling, Zhao Qin, Chunmei Li, Wenwen Huang, David L. Kaplan, Markus J. Buehler. Polymorphic regenerated silk fibers assembled through bioinspired spinning. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-00613-5