Прочнее кости и кевлара: найден способ превратить шелк в сверхпрочный материал

Издавна шелк славится своей прочностью: пауки используют его для плетения паутины, способной выдерживать сильный ветер и нашествие насекомых; шелкопряды заворачиваются в него для защиты; а люди тысячи лет используют материал для изготовления одежды, так как он невероятно легкий, гибкий и прочный, пишет Фокус.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

В новом исследовании команда под руководством ученых из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Мичиганского университета нашла эффективный способ превратить шелк в нечто значительно более прочное, чем ткань. Фактически, новый материал может конкурировать с некоторыми передовыми промышленными композитами и даже приближается к кевлару по прочности. Более того, авторы утверждают, что новый материал способен выдерживать баллистические удары лучше, чем армированные углеродным волокном пластмассы.

Любопытно, что для создания нового материала не нужны сложные синтетические химикаты или энергоемкие производственные процессы. Вместо этого команда разработала более простой способ соединения натуральных шелковых волокон, сохранив при этом большую часть их первоначальной прочности.

Десятилетиями инженеры пытались использовать шелк в медицине и электронике. По словам ученых, белки шелка биосовместимы, то есть организм обычно хорошо их переносит. Это делает материал привлекательным для имплантатов, восстановления тканей и даже гибких электронных устройств. Но ученые сталкивались с проблемой: большинство современных методов обработки растворяют шелковые волокна в белках и восстанавливают их с нуля. Этот процесс требует больших объемов воды, химикатов, энергии и времени, а также ослабляет материал.

По словам соавтора исследования, научного сотрудника-профессора инженерной школы Тафтса Чунмэя Ли, новый метод не требует растворения шелка — на самом деле ученым необходимо лишь выравнять волокна, применив тепло и давление.

Авторы утверждают, что процесс начинается с коммерчески доступных шелковых волокон, полученных из коконов моли. На первом этапе ученые удалили серицин — липкое внешнее покрытие, помогающее насекомым строить коконы. Затем волокна выравняли и сжали с помощью нагрева и давления.

По словам другого соавтора исследования, профессора Дэвида Каплана, внутри шелковых волокон находятся две белковые области: высокоупорядоченная и кристаллическая, что придает шелку прочность; другая — более гибкая и подвижная. Вместе они придают шелковым волокнам прочность, жесткость и гибкость. В то же время подвижная часть позволяет волокнам сливаться вместе под воздействием тепла и давления.

В ходе исследования ученым также удалось определить идеальный диапазон температур обработки от 257 до 419 градусов по Фаренгейту и давление от 1900 до 9800 атмосфер. Эксперименты также показали, что более низкие температуры приводили к получению более рыхлых материалов. Слишком высокая температура делала шелк хрупким.

В результате сплавления 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. Это придает материалу сверхпрочность. Материал также выдержал испытание на прочность некоторыми из самых прочных конструкционных пластиков и композитов, используемых сегодня. Баллистические характеристики ударопрочности также оказались впечатляющими.

Считается, что невероятная гибкость материала также может сделать его полезным в медицине: например, временные материалы, которые медленно исчезают, ценны в регенерации тканей и регенеративной медицине. Более долговечные версии могут поддерживать поврежденные кости или суставы.

При написании использовались материалы Nature Sustainability, Earth.com.