Китайські науковці винайшли метод обробки штучного шовку шовкопряда, завдяки якому той стає на 70 відсотків міцнішим за шовк павука. Отримані волокна демонструють надсильні фізичні властивості з середньою міцністю на розрив у близько 2 гігапаскалів. Цього досягли кип'ятінням з подальшою обробкою металами та цукрами. Дослідження опубліковано в журналі Matter.
Ausguy81 / Flickr
Де використовують шовк павука і шовкопряда, та яка між ними різниця?
Матеріали на основі шовку можна знайти в багатьох сферах застосування, зокрема в біомедицині, як-от в якості матеріалу для швів і хірургічних сіток або виготовленні сенсорних пластирів, які контролюють здоров'я.
Протягом останніх 20 років науковці доклали значних зусиль до генетичних, структурних і функціональних досліджень різних типів павутинного шовку, а також до розробки методів прядіння штучного шовку, оскільки павутинні шовки значно перевершують шовк шовкопряда за фізичними властивостями. Проте, на відміну від шовкопрядів, розводити павуків недоцільно. Їм потрібно багато місця для створення павутини, вони виробляють мало шовку та занадто агресивно захищають свої території. Штучний павутинний шовк демонструє хорошу міцність, однак його розробка має обмежений успіх через складнощі масштабного виробництва.
Шовк шовкопряда володіє значно меншою міцністю в порівняні з усіма типами шовку павука. Наприклад, міцність на розрив більшості павутинних волокон може досягати 0,9-1,4 гігапаскаля, тоді як необроблений шовк шовкопряда та штучні шовкові волокна, демонструють міцність на розрив лише 400-600 мегапаскалів. Через погану міцність, шовк шовкопряда використовують переважно в моді та текстилі. Втім, використовувати шовк шовкопрядів в комерційних цілях легше і доступніше. Тому, команда дослідників з Університети Тяньцзінь взялася за підвищення його ефективності і першою знайшла спосіб прядіння надміцного штучного шовку шовкопряда.
Який рецепт надміцного шовку?
Для виробництва штучних волокон шовку потрібно було розчинити клей, який огортає серцевину волокна, перешкоджаючи його прядінню. Для цього вчені кип'ятили шовк в спеціальній ванні з хімікатами. Така обробка мінімізувала деградацію білків шовку, які забезпечують міцність. Далі йшов етап затвердіння назад у волокна. Серед випробуваних ванн, які містили різні метали та цукри, найкращу швидкість утворення волокон, а також їхню міцність забезпечувала суміш цинку, заліза і сахарози при кімнатній температурі. Після, матеріал витягували та сушили, утворюючи тонкий шовк.
Які властивості демонстрував оброблений шовк?
Після обробки діаметр шовку зменшився з 15 мікрометрів до 4-6 мікрометрів, що близько до павутинного волокна (3-5 мікрометрів). Випробування механічних властивостей продемонстрували винятково високу міцність на розрив на рівні 2 гігапаскаль, що на 70 відсотків перевищує середню міцність павутинного шовку. Крім того, середній модуль Юнга, величина, яка відповідає за пружність, дорівнювала 43 ± 6 гігапаскаля, що вдвічі вище, ніж у будь-якого відомого натурального шовку. Таким чином, розроблений метод відкриває багатообіцяючі можливості для виробництва прибуткових, високоефективних матеріалів на основі шовку у великих масштабах.
Ми вже розповідали про те, як вчені отримані з листя шовковиці вуглецеві точки та нагодували ними шовкопрядів, а ті засвітилися червоним світлом та відклали флуоресцентні яйця. А ще писали, як матеріалознавці завдяки наночастинкам оксиду алюмінію підвищили несприйнятливість шовку до нагрівання на сонячному світлі.