Новый сплавленный шелковый материал по прочности не уступает кевлару, при этом обладая биосовместимостью и потенциалом для работы в условиях 6G.
Исследователи из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Мичиганского университета разработали новый способ превращения натурального шелка в сверхпрочный твердый материал без растворения волокон и использования синтетических добавок. Полученный материал по прочности и вязкости не уступает современным композитным материалам, оставаясь при этом биосовместимым и пригодным для медицинского применения.
Вместо того чтобы расщеплять шелк на белки и восстанавливать его, команда напрямую соединила выровненные шелковые волокна, используя контролируемое тепло и давление. Этот процесс сохраняет большую часть первоначальной молекулярной структуры шелка, позволяя конечному материалу сохранить естественную прочность волокон.
Исследователи заявили, что сплавленный шелк превзошел такие материалы, как кость и дерево, по прочности на растяжение и приблизился к кевлару. Он также продемонстрировал более высокую баллистическую ударопрочность, чем некоторые полимерные композиты, армированные углеродным волокном.
«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», — сказала Чунмэй Ли, научный сотрудник-профессор инженерной школы 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».
Сила шелка восстановлена
В качестве исходного материала используются имеющиеся в продаже волокна коконов шелкопряда, применяемые в текстильном производстве. Сначала исследователи удалили серицин — липкое покрытие вокруг волокон — с помощью слабого раствора карбоната натрия. Затем волокна выравнивали и прессовали в горячем состоянии при тщательно контролируемых температурах и давлениях.
В процессе нагревания более подвижные части белковой структуры шелка размягчались настолько, чтобы скрепить соседние волокна, сохраняя при этом кристаллические области, отвечающие за прочность и гибкость.
«Шелк представляет собой композитную структуру, — говорит Дэвид Каплан, профессор инженерных наук в Университете Тафтса, занимающий именной кафедру семьи Стерн. — В нем есть более подвижная, аморфная фаза белков волокна, а также часть белковой цепи, которая сворачивается, образуя листообразные поверхности, которые, в свою очередь, складываются в кристаллические структуры».
Исследователи определили оптимальный диапазон температур обработки от 257 до 419 градусов по Фаренгейту и давления от 1900 до 9800 атмосфер. Слишком низкая температура или давление приводили к ослаблению структуры, а чрезмерные температуры делали материал хрупким.
В конечном итоге структура на микроскопическом уровне напоминает древесину: выровненные пучки волокон скреплены между собой для эффективного распределения напряжения. По словам исследователей, эта иерархическая структура способствует необычному сочетанию прочности и долговечности материала.
Настроено под человеческий организм
Команда также протестировала сплавленный шелк на предмет его применения в биомедицине. Исследования на животных показали, что материал вызывал лишь слабую иммунную реакцию, которая со временем уменьшалась.
Исследователи обнаружили, что могут регулировать скорость разложения материала, изменяя условия обработки. Менее плотно склеенные варианты позволяли клеткам постепенно проникать внутрь, в то время как более плотные формы сопротивлялись разрушению и оставались стабильными в течение более длительного времени.
«Мы можем контролировать скорость разложения материала в зависимости от условий его использования», — сказал Ли.
Исследователи полагают, что благодаря своей прочности и биосовместимости этот материал в конечном итоге может быть использован в ортопедических имплантатах, таких как пластины, винты и фиксирующие устройства для переломов костей.
Ученые из Мичиганского университета также обнаружили, что сплавленный шелк может поляризовать терагерцовое излучение, используемое в сканерах в аэропортах, медицинской визуализации и системах обнаружения химических веществ. Команда заявила, что это свойство может поддерживать будущие технологии связи 6G, способные передавать данные гораздо быстрее, чем современные сети 5G.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability.
Sourse: interestingengineering.com
