Команда архитекторов и химиков из Кембриджского университета разработала сверхэластичные и прочные волокна, которые почти полностью состоят из воды и могут быть использованы для изготовления текстиля, датчиков и других материалов. Волокна, которые напоминают миниатюрные эластичные шнуры, поскольку они могут поглощать большое количество энергии, экологичны, нетоксичны и могут быть изготовлены при комнатной температуре.
Этот новый метод не только улучшает более ранние методы изготовления синтетического паучьего шелка, поскольку он не требует высокоэнергетических процедур или широкого использования вредных растворителей, но он может существенно улучшить методы изготовления синтетических волокон всех видов, поскольку другие типы синтетических волокон также основаны на высокоэнергетических и токсичных методах. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Шелк паука - один из самых прочных природных материалов, и ученые с разной степенью успеха пытались имитировать его свойства для целого ряда применений. «Нам еще предстоит полностью воссоздать элегантность, с которой пауки прядут шелк», - сказал соавтор доктор Даршил Шах из Кембриджского факультета архитектуры.
Волокна, разработанные кембриджской командой, «сплетены» из жидкого материала, называемого гидрогелем, который на 98% состоит из воды. Оставшиеся 2% гидрогеля состоят из диоксида кремния и целлюлозы, обоих природных материалов, скрепленных в сеть бочкообразными молекулярными «наручниками», известными как кукурбитурилы. Химическое взаимодействие между различными компонентами позволяет вытягивать длинные волокна из геля.
Волокна вытягиваются из гидрогеля, образуя длинные, чрезвычайно тонкие нити - несколько миллионных долей метра в диаметре. Примерно через 30 секунд вода испаряется, оставляя прочное и эластичное волокно.
«Хотя наши волокна не такие прочные, как самый прочный паутинный шелк, они могут выдерживать нагрузки в диапазоне от 100 до 150 мегапаскалей, что аналогично другим синтетическим и натуральным шелкам», - сказал Шах. «Однако наши волокна нетоксичны, и их производство требует гораздо меньше энергии».
Волокна способны к самосборке при комнатной температуре и удерживаются вместе супрамолекулярной химией «хозяин-гость», которая опирается на силы, отличные от ковалентных связей, когда атомы делят электроны.
«Когда вы смотрите на эти волокна, вы можете увидеть ряд различных сил, удерживающих их вместе в разных масштабах», - сказал Ючао Ву, аспирант химического факультета Кембриджа и ведущий автор статьи. «Это похоже на иерархию, результатом которой является сложная комбинация свойств».
Прочность волокон превышает прочность других синтетических волокон, таких как вискоза на основе целлюлозы и искусственный шелк, а также натуральных волокон, таких как волосы человека или животных.
В дополнение к своей прочности, волокна также обладают очень высокой демпфирующей способностью, что означает, что они могут поглощать большое количество энергии, подобно шнуру для банджи. Синтетических волокон, обладающих такой способностью, очень мало, но высокое демпфирование является одной из особых характеристик паучьего шелка. Исследователи обнаружили, что демпфирующая способность в некоторых случаях даже превосходит натуральный шелк.
«Мы думаем, что этот метод изготовления волокон может стать устойчивой альтернативой существующим методам производства», - сказал Шах. Исследователи планируют продолжить изучение химии волокон, включая создание пряжи и плетеных волокон.
Это исследование является результатом сотрудничества Лаборатории синтеза полимеров Мелвилла на кафедре химии под руководством профессора Орена Шермана; и Центр инноваций в области натуральных материалов при Департаменте архитектуры, возглавляемый доктором Майклом Рэймиджем. Обе группы проявляют взаимный интерес к природным и вдохновленным природой материалам, процессам и их применению в различных масштабах и дисциплинах.
Исследование поддерживается Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам Великобритании (EPSRC) и Leverhulme Trust.