Учёные превратили шёлк тутового шелкопряда в сверхматериал на уровне кевлара

Паучий шёлк, по имеющимся данным, прочнее стали примерно в пять раз, а с помощью генетических изменений шёлк тутового шелкопряда можно сделать ещё крепче.

Теперь одна научная группа заявила, что нашла способ создавать шёлковые волокна с прочностью почти на уровне кевлара, причём без единой синтетической нити.

Главное достижение в том, что новый подход сохраняет естественную структуру волокон и опирается в основном на точно контролируемые температуру и давление.

Согласно недавней работе в журнале Nature Sustainability, нагрев и давление сплавляют волокна в плотный прозрачный материал, чья вязкость при разрыве превосходит кость и почти достигает показателей кевлара.

В сравнении с искусственными аналогами такой материал легче разлагается, что делает его пригодным для экологичных технологий. К тому же "сплавленный шёлк" прозрачен в видимом диапазоне и обладает оптическими свойствами, важными для беспроводных и визуализирующих технологий нового поколения.

Об этом рассказала соавтор исследования и биомедицинский инженер из Университета Тафтса Чунмэй Ли.

Люди начали добывать шёлк из шелкопрядов ещё около 8 500 лет назад. В последние же годы уникальная химическая организация волокон вернула интерес к шёлку как к основе для высокотехнологичных материалов в биомедицине, энергетике, сохранении продуктов и сенсорах.

По словам Ли, всё началось с давней проблемы обработки природных биополимеров. Природный шёлк обладает впечатляющими механическими и функциональными свойствами, однако прежняя обработка требовала медленного и химически насыщенного процесса. Именно он разрушал ту самую иерархическую структуру, что и придаёт шёлку полезные качества.

Ключевое улучшение в том, что новый метод обходится без избытка химии. Исследователи просто выравнивают волокна, прикладывают тепло и давление, и те сплавляются в один этап. Перед этим коммерчески доступные волокна обрабатывают карбонатом натрия, чтобы убрать липкое покрытие, которое выделяет шелкопряд.

Сложность заключалась в поиске оптимальной зоны для горячего прессования. При слишком низких температуре и давлении шёлк становился чересчур вялым, а при слишком высоких становился хрупким или разрушался полностью.

Команда остановилась на диапазоне от 125 до 215 градусов Цельсия и давлении от 1 900 до 9 800 атмосфер. В этих условиях волокна собирались в пучки и сплавлялись, обретая новую форму, по структуре напоминающую дерево. Прочные связи между волокнами распределяют нагрузку по всему материалу, и в итоге получается крепкая твёрдая масса, сохраняющая лучшие свойства натурального шёлка.

Группа рассчитывает, что материал найдёт применение в самых разных областях.

Баллистические испытания подтвердили, что по стойкости к проколу он не уступает армированным углеродным волокном полимерам, которые используют в самолётах и автомобилях. Образцы также вживили мышам и убедились, что материал постепенно разлагается, а значит, подойдёт для временных медицинских имплантов.

В дальнейшем команда хочет сделать этот шёлк более масштабируемым и пригодным для сложных форм, для чего уже ведёт новые исследования. Замысел состоит в том, чтобы привлечь промышленных и коммерческих партнёров, готовых встроить сплавленный шёлк в сенсоры и другую технику.

Ли отметила, что экологичные материалы не обязаны быть слабыми или чисто символической заменой пластику. Некоторые природные материалы прекрасно сконструированы самой природой, и шёлк один из них.

Устойчивость, по её словам, рождается из лучшего дизайна, лучшей обработки и более глубокого понимания того, что уже существует в природе.