|
Воссоздали технологию плетения паутины спайдермена
|
|
|
|
Каждый ребенок, который читал комиксы или смотрел фильм о Человеке-пауке, пытался представить, каково это - пускать паутину со своего запястья, летать над улицами и ловить злодеев. Исследователи из Университета Тафтса серьезно отнеслись к этим воображаемым сценам и создали первую технологию плетения паутины, в которой текучий материал может вылетать из иглы, мгновенно затвердевать в виде нити, прилипать к предметам и поднимать их. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
|
|
|
|
Эти липкие волокна, созданные в Silklab Университета Тафтса, получают из коконов шелкопряда, которые кипятят в растворе и расщепляют на белки-строительные блоки, называемые фиброинами. Раствор фиброина шелка можно экструдировать с помощью игл с узким отверстием, образуя струю, которая при правильном добавлении затвердевает и превращается в волокно под воздействием воздуха.
|
|
|
|
Конечно, природа является источником вдохновения для создания из волокон шелка тросов, паутины и коконов. Пауки, муравьи, осы, пчелы, бабочки-мотыльки, жуки и даже мухи могут производить шелк на определенном этапе своего жизненного цикла.
|
|
|
|
Природа также вдохновила Silklab на использование фиброина шелка для создания мощных клеев, которые могут работать под водой, датчиков для печати, которые можно наносить практически на любую поверхность, съедобных покрытий, которые могут продлить срок хранения продуктов, светоулавливающего материала, который может значительно повысить эффективность солнечных батарей, и более экологичных материалов.
|
|
|
|
|
|
|
Однако, несмотря на значительный прогресс в разработке материалов на основе шелка, исследователям еще предстояло повторить мастерство пауков, которые могут контролировать жесткость, эластичность и адгезивные свойства нитей, которые они прядут.
|
|
|
|
Прорыв произошел совершенно случайно. "Я работал над проектом по изготовлению чрезвычайно прочных адгезивов с использованием фиброина шелка, и когда я мыл свою стеклянную посуду ацетоном, я заметил, что на дне стакана образуется материал, похожий на паутину", - сказал Марко Ло Прести, доцент-исследователь в Tufts.
|
|
|
|
Это случайное открытие позволило преодолеть несколько инженерных трудностей, связанных с воспроизведением паутинных нитей. Растворы фиброина шелка могут медленно образовывать полутвердый гидрогель в течение нескольких часов при воздействии органических растворителей, таких как этанол или ацетон, но присутствие допамина, который используется при изготовлении клеев, позволяет процессу затвердевания протекать практически мгновенно.
|
|
|
|
При быстром смешивании с органическим растворителем для стирки шелка в шелковом растворе быстро образуются волокна с высокой прочностью на растяжение и липкостью. В дофамине и его полимерах используется тот же химический состав, что и в ракушках, для образования волокон, которые прочно прилипают к поверхности.
|
|
|
|
Следующим шагом было раскручивание волокон на воздухе. Исследователи добавили дофамин в раствор фиброина шелка, который, по-видимому, ускоряет переход из жидкого состояния в твердое, отводя воду от шелка. При попадании через коаксиальную иглу тонкая струйка раствора шелка покрывается слоем ацетона, который вызывает затвердевание.
|
|
|
|
Ацетон испаряется в воздухе, оставляя волокно, прикрепленное к любому предмету, с которым он соприкасается. Исследователи дополнили раствор фиброина-дофамина шелка хитозаном, производным экзоскелета насекомых, который придавал волокнам в 200 раз большую прочность на растяжение, и боратным буфером, который увеличивал их адгезивность примерно в 18 раз.
|
|
|
|
Диаметр волокон может варьироваться от диаметра человеческого волоса до примерно полумиллиметра, в зависимости от диаметра иглы.
|
|
|
|
Устройство может выбрасывать волокна, способные при различных условиях поднимать предметы, вес которых в 80 раз превышает их собственный. Исследователи продемонстрировали это, подняв кокон, стальной болт, лабораторную пробирку, плавающую на воде, скальпель, частично зарытый в песок, и деревянный брусок с расстояния около 12 сантиметров.
|
|
|
|
Ло Прести отметил, что "если вы посмотрите на природу, то обнаружите, что пауки не могут выпускать свою паутину. Обычно они вытягивают шелк из своих желез, физически соприкасаются с поверхностью и проводят линии, по которым строят свою паутину. Мы демонстрируем способ отсоединения волокна от устройства, а затем прикрепления к объекту и поднятия его на расстоянии. Вместо того, чтобы представлять эту работу как материал, вдохновленный биологией, на самом деле это материал, вдохновленный супергероями".
|
|
|
|
Натуральный паутинный шелк по-прежнему примерно в 1000 раз прочнее, чем искусственные волокна, о которых говорилось в этом исследовании. Но, приложив немного воображения и инженерных разработок, инновация будет продолжать совершенствоваться и откроет путь для различных технологических применений.
|
|
|
|
"Как ученые и инженеры, мы проводим границу между воображением и практикой. Вот где происходит все волшебство", - сказал Фиоренцо Оменетто, профессор инженерного дела Фрэнка Добла в Университете Тафтса и директор Silklab.
|
|
|
|
"Мы можем черпать вдохновение в природе. Нас могут вдохновлять комиксы и научная фантастика. В данном случае мы хотели переработать наш шелковый материал, чтобы он вел себя так, как изначально задумала природа, и как это представляли себе авторы комиксов".
|
|
|
|
Источник
|
