Jedwab skromnego pająka ma pewne imponujące właściwości. Jest to jeden z najtrwalszych materiałów występujących w naturze, mocniejszy niż stal i mocniejszy niż Kevlar. Przed zerwaniem można go kilkakrotnie rozciągnąć. Z tych powodów replikacja jedwabiu pajęczego w laboratorium od dziesięcioleci jest trochę obsesją wśród naukowców zajmujących się materiałami.
powiązana zawartość
- Zęby ślimaka biją pająk jedwab jako najsilniejszy materiał natury
- Czy Spider Silk może zatrzymać jadący pociąg?
Teraz naukowcy z University of Cambridge stworzyli nowy materiał, który naśladuje siłę jedwabiu pająka, rozciągliwość i zdolność pochłaniania energii. Materiał ten oferuje możliwość ulepszenia produktów od kasków rowerowych przez spadochrony po kuloodporne kurtki po skrzydła samolotu. Być może jego najbardziej imponująca właściwość? To 98 procent wody.
„Pająki są interesującymi modelami, ponieważ są w stanie wytwarzać te wspaniałe włókna jedwabiu w temperaturze pokojowej przy użyciu wody jako rozpuszczalnika” - mówi Darshil Shah, inżynier z Cambridge's Center for Natural Material Innovation. „Pająki tego procesu ewoluowały przez setki milionów lat, ale jak dotąd nie byliśmy w stanie skopiować”.
Włókna laboratoryjne są tworzone z materiału zwanego hydrożelem, który składa się w 98 procentach z wody i 2 procentach krzemionki i celulozy, przy czym te dwa ostatnie są utrzymywane razem przez kaburbiturile, cząsteczki, które służą jako „kajdanki”. Włókna krzemionki i celulozy można wyciągnąć z hydrożelu. Po około 30 sekundach woda odparowuje, pozostawiając jedynie mocną, rozciągliwą nić.
Włókna są wyjątkowo silne - choć nie tak mocne jak najsilniejsze pająki - i, co istotne, można je wytwarzać w temperaturze pokojowej bez rozpuszczalników chemicznych. Oznacza to, że jeśli można je wytwarzać na dużą skalę, mają przewagę nad innymi włóknami syntetycznymi, takimi jak nylon, które wymagają przędzenia w bardzo wysokich temperaturach, co sprawia, że produkcja tekstyliów jest jedną z najbardziej brudnych gałęzi przemysłu na świecie. Sztuczny jedwab pająk jest również całkowicie biodegradowalny. A ponieważ jest wykonany ze zwykłych, łatwo dostępnych materiałów - głównie wody, krzemionki i celulozy - może być niedrogi.
Ponieważ materiał może pochłaniać tak dużo energii, może być potencjalnie stosowany jako tkanina ochronna.
„Pająki potrzebują tej zdolności absorpcji, ponieważ gdy ptak lub mucha trafi w ich sieć, musi być w stanie ją wchłonąć, w przeciwnym razie pęknie”, mówi Shah. „Więc takie rzeczy jak odporna na szrapnele lub inna ochronna odzież wojskowa, byłaby to ekscytująca aplikacja”.
Inne potencjalne zastosowania obejmują tkaniny żaglowe, tkaniny spadochronowe, materiały balonów na ogrzane powietrze oraz kaski rowerowe lub deskorolkowe. Materiał jest biokompatybilny, co oznacza, że można go stosować w ludzkim ciele do takich rzeczy jak szwy.
Włókna można również modyfikować na wiele interesujących sposobów, mówi Shah. Zastąpienie celulozy różnymi polimerami może zmienić jedwab w zupełnie inny materiał. Podstawową metodę można by powielić, aby wytworzyć wersje wielu tkanin, które nie wymagają użycia rozpuszczalników chemicznych.
„To ogólna metoda wytwarzania wszystkich włókien, aby każda forma włókna [sztucznego] była zielona”, mówi Shah.
Shah i jego zespół nie są jedynymi naukowcami, którzy pracują nad tworzeniem sztucznego jedwabiu pająka. W przeciwieństwie do jedwabników, które można hodować dla ich jedwabiu, pająki to kanibale, które nie tolerowałyby bliskich pomieszczeń niezbędnych do hodowli, więc zwrócenie się do laboratorium jest jedynym sposobem na uzyskanie znacznych ilości materiału. Co kilka lat przynosi nagłówki o nowych wydarzeniach w tym procesie. Niemiecki zespół zmodyfikował bakterie E. coli, aby wytwarzały molekuły jedwabiu pająka. Naukowcy z Utah State University wyhodowali zmodyfikowane genetycznie „kozy pająki”, aby wytwarzać białka jedwabiu w mleku. Armia USA testuje „smoczy jedwab” produkowany przez zmodyfikowane jedwabniki do stosowania w kamizelkach kuloodpornych. Na początku tego roku naukowcy z Karolinska Institute w Szwecji opublikowali artykuł na temat nowej metody wykorzystania bakterii do produkcji białek jedwabiu pająka w potencjalnie zrównoważony, skalowalny sposób. A tej wiosny w Kalifornii startup Bolt Threads zadebiutował bioinżynierycznie jedwabnymi krawatami pająka na festiwalu SXSW. Ich produkt powstaje w procesie fermentacji drożdży, który wytwarza białka jedwabiu, które następnie przechodzą proces wytłaczania, aby uzyskać włókna. To wystarczająco obiecujące, że udało się nawiązać współpracę z producentem zewnętrznym Patagonią.
Ale, jak wskazuje historia przewodowa z 2015 roku, „jak dotąd, każda grupa, która próbowała wyprodukować wystarczającą ilość materiału, aby wprowadzić go na rynek masowy, od naukowców po gigantyczne korporacje, zasadniczo poniosła porażkę”.
Jest to wyzwanie, przed którym teraz stoi Shah i jego zespół.
„Obecnie produkujemy około kilkudziesięciu miligramów tych materiałów, a następnie wyciągamy z nich włókna”, mówi. „Ale chcemy to zrobić na znacznie większą skalę”.
Aby to zrobić, zespół pracuje nad robotem, aby szybciej i na większą skalę wyciągać i wirować włókna. Odniosły pewien sukces, mówi Shah, i nadal badają ten proces.
„Wciąż jesteśmy na wczesnych etapach badań”, mówi.
Ustalenia zespołu zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences .
