En filament, der passer til rummet - silke har vist sig at trives i det ydre rumtemperaturer

Deres første opdagelse havde virket som en selvmodsigelse, fordi de fleste andre polymerfibre blev skøre i kulden. Men efter mange års arbejde med problemet, gruppen af ​​forskere har opdaget, at silkes kryogene sejhed er baseret på dens nanoskala fibriller. Sub-mikroskopisk orden og hierarki gør, at en silke kan modstå temperaturer ned til -200 C. Og muligvis endnu lavere, hvilket ville gøre disse klassiske naturlige luksusfibre ideelle til applikationer i dybet af det kølige ydre rum.

Det tværfaglige team undersøgte adfærden og funktionen af ​​adskillige dyresilke kølet ned til flydende nitrogentemperatur på -196 C. Fibrene omfattede edderkoppesilke, men undersøgelsen fokuserede på de tykkere og meget mere kommercielle fibre fra den vilde silkeorm Antheraea pernyi .

I en artikel offentliggjort i dag i Materiale Kemi grænser , holdet var i stand til at vise ikke kun 'det', men også 'hvordan' silke øger sin sejhed under forhold, hvor de fleste materialer ville blive meget skøre. Ja, silke synes at modsige den grundlæggende forståelse af polymervidenskab ved ikke at miste, men opnå kvalitet under virkelig kolde forhold ved at blive både stærkere og mere strækbar. Denne undersøgelse undersøger 'hvordan' og forklarer 'hvorfor'. Det viser sig, at de underliggende processer er afhængige af de mange fibriller i nanostørrelse, der udgør kernen i en silkefiber.

I tråd med traditionel polymerteori, undersøgelsen hævder, at de enkelte fibriller faktisk bliver stivere, når de bliver koldere. Nyheden og vigtigheden af ​​undersøgelsen ligger i konklusionen, at denne afstivning fører til øget friktion mellem fribrillerne. Denne friktion øger til gengæld sprække-energi-afledning, samtidig med at den modstår fibrillglidning. Ændring af temperatur vil også modulere tiltrækning mellem individuelle silkeproteinmolekyler, hvilket igen påvirker kerneegenskaberne for hver fibril, som er opbygget af mange tusinde molekyler.

Vigtigt, forskningen er i stand til at beskrive hærdningsprocessen på både mikron- og nanoskala niveau. Holdet konkluderer, at enhver revne, der river gennem materialet, omdirigeres, hver gang den rammer en nanofibril, hvilket tvinger den til at miste stadig mere energi i de mange omveje, den skal forhandle. Og således går en silkefiber først i stykker, når de hundreder eller tusinder af nanofibriller først har strakt sig og derefter skredet, og så har de alle enkeltvis knækket.

Opdagelsen rykker grænser, fordi den studerede et materiale i det begrebsmæssigt vanskelige og teknologisk udfordrende område, der ikke kun spænder over mikron- og nanoskalaen, men også skal studeres ved temperaturer langt under enhver dybfryser. Størrelsen af ​​de undersøgte skalaer spænder fra mikronstørrelsen af ​​fiberen til submikronstørrelsen af ​​et filamentbundt til fibrillernes nanoskala og sidst men ikke mindst til niveauet af supramolekylære strukturer og enkelte molekyler. På baggrund af banebrydende videnskab og futuristiske applikationer er det værd at huske på, at silke ikke kun er 100 % en biologisk fiber, men også et landbrugsprodukt med årtusinder af R&D.

Det ser ud til, at denne undersøgelse har vidtrækkende implikationer ved at foreslå et bredt spektrum af nye anvendelser for silke, lige fra nye materialer til brug i Jordens polære områder til nye kompositter til letvægtsfly og drager, der flyver i strato- og meso-sfæren. til, måske, selv gigantiske spind spundet af robotedderkopper for at fange astro-skrammel i rummet.

Professor Fritz Vollrath, fra Oxford University's Department of Zoology, sagde:'Vi forestiller os, at denne undersøgelse vil føre til design og fremstilling af nye familier af hårde strukturelle filamenter og kompositter, der bruger både naturlige og silke-inspirerede filamenter til applikationer under ekstreme kolde forhold, såsom rummet.'

Prof Zhengzhong Shao, fra afdelingen for makromolekylær videnskab ved Shanghais Fudan University, sagde:'Vi konkluderer, at den ekstraordinære mekaniske sejhed af silkefibre ved kryogene temperaturer stammer fra dets højt justerede og orienterede, relativt uafhængig og udvidelig nanofibrillær morfologi.'

Dr. Juan Guan fra Beihang Universitet, i Beijing, sagde:'Denne undersøgelse giver ny indsigt i vores forståelse af struktur-egenskabsforholdet mellem naturlige højtydende materialer, som vi håber vil føre til fremstilling af menneskeskabte polymerer og kompositter til lavtemperatur- og højtydende applikationer.'

Og Dr. Chris Holland fra Sheffield University, leder af et europæisk forskningskonsortium om roman, Bæredygtige biofibre baseret på indsigt i naturlig silkespinding sagde:'Natursilke fortsætter med at bevise sig selv som guldstandardmaterialer til fiberproduktion. Arbejdet her identificerer, at det ikke kun er kemien, men hvordan silke er spundet og som følge heraf er struktureret, det er hemmeligheden bag deres succes.'

De næste trin i forskningen vil yderligere teste de fantastiske egenskaber. En spin-out virksomhed, Spintex Ltd, fra Oxford University, delvist finansieret af et EU H2020-tilskud, udforsker spinde silkeproteiner på edderkoppens måde og fokuserer på at kopiere sub-mikron strukturerne af bundtede fibriller.

Silke

• Naturlig silke er miljømæssigt bæredygtig, idet dyret spin-ekstruderer det fra vandige proteinsmeltninger ved omgivende temperaturer og lavt tryk.
• Mange silke er biokompatible, hvilket gør dem til fremragende materialer til brug i medicinsk udstyr. Silke er lette og har tendens til at være meget hårde, hvilket tyder på brug i lette applikationer, hvor meget energi skal optages af materialet.
• Alle silke er bio-engangsbrug, udelukkende bestående af naturlige aminosyrebyggesten, der let integreres i den naturlige cyklus af forfald og genopbygning.
• Sidst men ikke mindst, der er et væld af information gemt i silke om proteinfoldning og om naturens måde at lave exceptionelle polymerstrukturer på.