Mătasea păianjenului umil are unele proprietăți destul de impresionante. Este unul dintre cele mai rezistente materiale găsite în natură, mai puternic decât oțelul și mai dur decât Kevlar. Poate fi întinsă de mai multe ori lungimea sa înainte de rupere. Din aceste motive, replicarea mătase de păianjen în laborator a fost un pic de obsesie în rândul oamenilor de știință de materiale de zeci de ani.
Continut Asemanator
- Dintii melcii bate matasea de paianjen ca material cel mai puternic al naturii
- Păianjenul de mătase ar putea opri un tren în mișcare?
Acum, cercetătorii de la Universitatea din Cambridge au creat un material nou care imită rezistența mătase de păianjen, întinderea și capacitatea de absorbție a energiei. Acest material oferă posibilitatea de a îmbunătăți produsele de la cască pentru biciclete la parașute până la jachete antiglonț până la aripi de avion. Poate proprietatea sa cea mai impresionantă? Este 98% apă.
„Păianjenii sunt modele interesante, deoarece sunt capabili să producă aceste superbe fibre de mătase la temperatura camerei folosind apa ca solvent”, spune Darshil Shah, un inginer la Centrul de Inovare a Materialelor Naturale din Cambridge. „Păianjenii din acest proces au evoluat de-a lungul a sute de milioane de ani, dar până acum nu am reușit să copiem.”
Fibrele fabricate în laborator sunt create dintr-un material numit hidrogel, care este 98% apă și 2 procente de silice și celuloză, ultimele două menținute împreună de cucurbiturilele, molecule care servesc drept „cătușe”. Fibrele de silice și celuloză pot fi trase din hidrogel. După 30 de secunde, apa se evaporă, lăsând în urmă doar firul puternic, întins.
Fibrele sunt extrem de puternice - deși nu sunt la fel de puternice precum cele mai puternice mătase de păianjen - și, în mod semnificativ, pot fi realizate la temperatura camerei fără solvenți chimici. Aceasta înseamnă că, dacă pot fi produse la scară, au un avantaj față de alte fibre sintetice, cum ar fi nylonul, care necesită temperaturi extrem de ridicate pentru filare, ceea ce face ca producția textilă să fie una dintre cele mai murdare industrii din lume. Mătasea păianjen artificială este, de asemenea, complet biodegradabilă. Și din moment ce este fabricat din materiale comune, ușor accesibile - în principal apă, silice și celuloză - are potențialul să fie accesibil.
Deoarece materialul poate absorbi atât de multă energie, ar putea fi utilizat ca țesătură de protecție.
„Păianjenii au nevoie de această capacitate de absorbție, deoarece atunci când o pasăre sau o muscă lovește pe pânză, trebuie să fie capabilă să o absoarbă, altfel va rupe”, spune Shah. „Deci, lucrurile rezistente la șrapel sau alte haine militare de protecție, ar fi o aplicație interesantă.”
Alte aplicații potențiale includ pânză de pânză, țesătură de parașută, material de balon cu aer cald și căști pentru biciclete sau skateboard. Materialul este biocompatibil, ceea ce înseamnă că ar putea fi folosit în corpul uman pentru lucruri precum cusăturile.
Fibrele ar putea fi, de asemenea, modificate într-o serie de moduri interesante, Shah spune. Înlocuirea celulozei cu diverși polimeri ar putea transforma mătasea într-un material cu totul diferit. Metoda de bază ar putea fi reprodusă pentru a produce versiuni de multe țesături la căldură scăzută, fără substanțe chimice.
„Este o metodă generică de a face toate fibrele, de a face orice formă de fibră [artificială” verde ”, spune Shah.
Shah și echipa sa sunt departe de singurii oameni de știință care lucrează la crearea de mătase de păianjen artificial. Spre deosebire de viermii de mătase, care pot fi crescuți pentru mătasea lor, păianjenii sunt canibali care nu ar tolera cartierele apropiate necesare agriculturii, așa că întoarcerea la laborator este singura cale de a obține cantități semnificative de material. La fiecare câțiva ani aduce titluri despre noi incursiuni în acest proces. O echipă germană a modificat bacteriile E-coli pentru a produce molecule de mătase păianjen. Oamenii de știință de la Universitatea de Stat din Utah au crescut „capre păianjen” modificate genetic pentru a produce proteine de mătase în laptele lor. Armata americană testează „mătase de dragon” produsă prin viermi de mătase modificați pentru a fi folosită în veste antiglonț. La începutul acestui an, cercetătorii de la Institutul Karolinska din Suedia au publicat o lucrare despre o nouă metodă pentru utilizarea bacteriilor pentru a produce proteine de mătase păianjen într-un mod potențial durabil, scalabil. Și în această primăvară, startup-ul Bolt Threads, din California, a debutat cravate de mătase de păianjen bioinginerite la festivalul SXSW. Produsul lor este realizat printr-un proces de fermentare a drojdiei care produce proteine de mătase, care trec apoi printr-un proces de extruzie pentru a deveni fibre. Este suficient de promițătoare pentru a fi generat un parteneriat cu producătorul exterior Patagonia.
Dar, după cum arată o poveste Wired din 2015, „până în prezent, fiecare grup care a încercat să producă destul de multe lucruri pentru a-l aduce pe piața de masă, de la cercetători la corporații gigant, a eșuat.”
Aceasta este provocarea pe care Shah și echipa sa o fac față acum.
„În prezent, realizăm în jur de câteva zeci de miligrame din aceste materiale și apoi tragem fibre din ele”, spune el. „Dar vrem să încercăm să facem asta la o scară mult mai mare.”
Pentru a face acest lucru, echipa lucrează la un dispozitiv robotizat pentru a trage și roti fibrele mai rapid și la o scară mai mare decât anterior. Au avut ceva succes, spune Shah și continuă să exploreze procesul.
„Suntem încă în primele etape ale cercetării”, spune el.
Descoperirile echipei au fost publicate recent în revista Proceedings of the National Academy of Sciences .
