Pająki połykają nanorurki, a następnie tkają jedwab wzmocniony węglem

Jedwab pajęczy to jeden z bardziej niezwykłych materiałów znanych nauce. Włókno białkowe, przędzone przez pająki w celu tworzenia sieci, jest silniejsze niż prawie wszystko, co potrafią wytworzyć ludzie.

Pająki z jedwabiu dragline, których używają do tworzenia zewnętrznej krawędzi sieci i szprych, to niesamowite rzeczy. Pasuje do wysokiej jakości stali stopowej pod względem wytrzymałości na rozciąganie, ale ma około jedną szóstą gęstość. Jest również bardzo plastyczny, czasami może rozciągać się nawet do pięciu razy swojej długości.

To połączenie wytrzymałości i plastyczności sprawia, że ​​pajęczy jedwab jest niezwykle wytrzymały, dorównując wytrzymałości najnowocześniejszym włóknom węglowym, takim jak Kevlar.

Nie trzeba więc mówić, że zdolność uczynienia jedwabiu pajęczego jeszcze silniejszym i twardszym byłaby znaczącym wyczynem naukowym. Dlatego praca Nicoli Pugno z Uniwersytetu w Trydencie we Włoszech i kilku kumpli jest czymś w rodzaju oszałamiającej.

Ci faceci znaleźli sposób na włączenie nanorurek węglowych i grafenu do jedwabiu pająka i zwiększenie jego wytrzymałości i twardości ponad wszystko, co było możliwe wcześniej. Otrzymany materiał ma właściwości, takie jak wytrzymałość na pękanie, moduł Younga i moduł twardości wyższe niż cokolwiek kiedykolwiek zmierzone.

Podejście zespołu jest stosunkowo proste. Zaczęli od 15 pająków Pholcidae, zebranych z włoskiej wsi, które trzymali w kontrolowanych warunkach w swoim laboratorium. Jako odniesienie zebrali próbki jedwabiu dragline produkowanego przez te pająki.

Następnie zespół zastosował zgrabną sztuczkę, aby wprowadzić nanorurki węglowe i płatki grafenu do jedwabiu pająka. Po prostu spryskali pająki wodą zawierającą nanorurki lub płatki, a następnie zmierzyli właściwości mechaniczne jedwabiu produkowanego przez pająki.

W przypadku każdego pasma jedwabiu umocowali włókno między dwoma kartonowymi uchwytami w kształcie litery C i umieścili je w urządzeniu, które może mierzyć obciążenie włókna z rozdzielczością 15 nanoniutonów i dowolne przemieszczenie włókna z rozdzielczością 0,1 nanometra.

Wyniki sprawiają, że lektura jest imponująca. Mierzymy wytrzymałość na pękanie do 5,4 GPa, moduł Younga do 47,8 GPa i moduł twardości do 2,1 GPa, mówią Pugno i spółka. Jest to najwyższy moduł twardości dla włókna, przewyższający wysokowydajne syntetyczne włókna polimerowe (np. Kelvar49), a nawet najtwardsze obecnie wiązane włókna.

Innymi słowy, danie pająkom wody nasączonej nanorurkami węglowymi sprawia, że ​​tkają jedwab mocniej niż jakiekolwiek znane włókno.

Praca rodzi kilka interesujących pytań. Po pierwsze, nie jest jasne, w jaki sposób pająki włączają nanorurki węglowe i płatki grafenu do swojego jedwabiu. Zespół wykorzystuje metody spektroskopowe, aby wykazać, że materiały węglowe są obecne we włóknie, ale nie jest w stanie dokładnie pokazać, w jaki sposób.

Jedną z możliwości jest to, że jedwab zostaje pokryty tymi materiałami na bazie węgla po przędzeniu. Pugno i spółka nie mogą tego wykluczyć, ale twierdzą, że jest to mało prawdopodobne, ponieważ powstała struktura nie miałaby takiej siły, jaką zmierzyli. Według nich taka zewnętrzna powłoka na powierzchni włókna nie przyczyni się znacząco do zaobserwowanego wzmocnienia mechanicznego.

Zamiast tego zespół twierdzi, że bardziej prawdopodobne jest, że pająki połykają wodę wraz z materiałami węglowymi, które są następnie włączane do włókna podczas przędzenia. Tak więc nanorurki i grafen trafiają do centralnej części każdego włókna, gdzie mogą mieć największy wpływ na jego wytrzymałość.

Zespół przeprowadził nawet symulację powstałej struktury molekularnej i stwierdził, że właściwości mechaniczne są zgodne z wynikami eksperymentów.

Oczywiście czekają nas wyzwania. Nikt nie odkrył wydajnego sposobu zbierania jedwabiu pajęczego, chociaż nie z braku prób. Dlatego ważnym krokiem w przyszłości będzie opracowanie takiej techniki, która może działać na skalę przemysłową. Otworzyłoby to drogę do powszechnych zastosowań we wszystkim, od naprawy tkanek po projektowanie odzieży.

To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy próbowali zmodyfikować jedwab pajęczy. Różne grupy dodawały metaliczne elementy umieszczając jedwab w odpowiedniej parze. W ten sposób znacznie zwiększyły wytrzymałość i twardość jedwabiu, choć nigdy w takim stopniu, w jakim udało się to Pugno i spółka.

Dlatego ich praca jest imponująca. Niezwykłe właściwości jedwabiu pajęczego są wynikiem 400 milionów lat ewolucji. Tak więc tak znacząca poprawa jest wyraźnie czymś wyjątkowym.

A prostota techniki sugeruje, że podobne podejście można zastosować w przypadku innych organizmów. Twierdzą, że tę nową procedurę wzmacniania można by również zastosować do innych zwierząt i roślin, prowadząc do nowej klasy materiałów bionicznych.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1504.06751 : Jedwab wzmocniony grafenem lub nanorurek węglowych przędzionych przez pająki

ukryć