Шелк можно превратить в сверхматериал прочнее кости

Фото из открытых источников

Шелк всегда славился своей прочностью. Пауки используют его для плетения паутины, способной выдерживать сильный ветер и нашествие летающих насекомых. Шелкопряды заворачиваются в него для защиты. Люди начали использовать его для изготовления одежды тысячи лет назад, потому что он легкий, гибкий и прочный.

Теперь исследователи нашли способ превратить шелк в нечто гораздо более прочное, чем ткань. Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Фактически, новый материал может конкурировать с некоторыми передовыми промышленными композитами и даже приближается к кевлару по прочности. Кроме того, шелк лучше выдерживает баллистические удары, чем армированный углеродным волокном пластик. Это ставит шелк в совершенно иную категорию, чем шарфы и платья.

Новый материал не производится с использованием сложных синтетических химикатов или энергоемких производственных процессов. Вместо этого ученые нашли более простой способ соединения натуральных шелковых волокон, сохранив при этом большую часть их первоначальной прочности.

Работу возглавили исследователи из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Мичиганского университета.

На протяжении многих лет инженеры пытались использовать шелк в медицине и электронике. Белки шелка биосовместимы, то есть организм обычно хорошо их переносит. Благодаря этому шелк привлекателен для имплантатов, восстановления тканей и даже гибких электронных устройств.

Но возникла проблема. Большинство современных методов обработки растворяют шелковые волокна в белках и восстанавливают их с нуля. Этот процесс требует больших объемов воды, химикатов, энергии и времени. Он также ослабляет материал.

«В процессе обработки натуральные волокна расщепляются на отдельные белки фиброина шелка, после чего им придается новая форма, поэтому мы теряем значительную часть присущей исходным волокнам прочности», — говорит профессор Чунмэй Ли из Университета Тафтса. «Благодаря этому новому методу нет необходимости растворять шелк — мы просто выравниваем волокна, применяем тепло и давление, и они сплавляются вместе за один шаг».

Одно это изменение в итоге имело огромное значение. Процесс начинается с имеющихся в продаже шелковых волокон, полученных из коконов моли. Сначала исследователи удаляют серицин — липкое внешнее покрытие, которое помогает насекомым строить коконы. Затем волокна выравниваются и сжимаются с помощью тепла и давления.

Внутри шелковых волокон находятся две разные белковые области. Одна область имеет высокую степень упорядоченности и кристалличности, что и придает шелку прочность. Другая область более гибкая и подвижная.

«Шелк представляет собой композитный материал», — объяснил профессор Дэвид Каплан из Университета Тафтса. «Существует более подвижная, аморфная фаза белковых волокон, а также часть белковой цепи, которая сворачивается, образуя листовидные поверхности, которые, в свою очередь, укладываются в кристаллические структуры. Вместе они придают шелковым волокнам прочность, жесткость и гибкость. Но именно подвижная часть позволяет волокнам сплавляться друг с другом под воздействием тепла и давления».

Исследователи определили идеальный диапазон температур для обработки: от 125 до 215 градусов Цельсия и от 1900 до 9800 атмосфер. При более низких температурах материал становился более рыхлым. Слишком высокая температура делала шелк хрупким. В конечном продукте сохраняется большая часть первоначальной молекулярной структуры шелка, при этом волокна соединяются в плотный твердый материал.

В результате склеивания шелка образуется слоистая внутренняя структура, имеющая некоторое сходство с древесиной. В обоих материалах пучки волокон выстраиваются в одном направлении и передают напряжение по всей структуре. Такая структура придает материалу впечатляющую прочность. Исследователи сообщили, что сплавленный шелк превзошел по прочности на растяжение как древесину, так и кость.

Он также выдержал испытание на прочность некоторыми из самых прочных конструкционных пластмасс и композитных материалов, используемых сегодня. Баллистические характеристики при ударе также оказались на высоте.

Композиты из углеродного волокна широко используются в авиации, гоночных автомобилях и спортивном оборудовании благодаря своей легкости и прочности. Шелковый материал превзошел их по ударопрочности. Такое сочетание прочности и малого веса может открыть двери в отраслях, ищущих альтернативы материалам на основе нефти.

В отличие от многих синтетических композитных материалов, шелк является возобновляемым и биоразлагаемым материалом. Этот материал также продемонстрировал необычные оптические свойства.

Ученые из Мичиганского университета обнаружили, что сплавленный шелк может поляризовать терагерцовое излучение, которое находится между инфракрасным светом и микроволнами в электромагнитном спектре.

Терагерцовые волны уже используются в сканерах в аэропортах и некоторых системах медицинской визуализации. Исследователи также изучают их применение в будущих системах беспроводной связи.

Команда исследователей считает, что сплавленный шелк в конечном итоге может сыграть важную роль в технологии 6G, которая, по прогнозам ученых, будет передавать данные гораздо быстрее, чем современные сети 5G.

Поляризация также может помочь упаковать больше информации в беспроводные сигналы. Этого большинство людей не ожидают от шелка.

Исследователи также проверили, как ведет себя склеенный шелк при имплантации животным. Данный материал вызывал лишь слабую иммунную реакцию, которая со временем ослабевала. Его поведение также может регулироваться в зависимости от плотности сплавления волокон.

Менее плотные варианты позволяют клеткам проникать в материал и медленно его разрушать. Более плотные варианты остаются стабильными в течение более длительного времени.

«Мы можем контролировать скорость разложения материала в зависимости от условий его использования», — сказал Ли.

Благодаря своей гибкости, сплавленный шелк может быть полезен в медицине. Временные материалы, которые медленно исчезают, ценны в регенерации тканей и регенеративной медицине. Более долговечные версии могут поддерживать поврежденные кости или суставы.

«Благодаря своей прочности, его потенциально можно использовать для фиксации переломов костей с помощью пластин, штифтов и винтов», — отметил Ли.

Шелк существует уже тысячи лет, являясь одним из самых полезных материалов, созданных природой. Новая версия может открыть перед ним совершенно иное будущее.