Rekonstitueret silke kan være flere gange stærkere end den naturlige fiber og fremstillet i forskellige former

Når det kommer til at lave den komplekse blanding af molekyler, der udgør fibre af naturlig silke, naturen slår menneskelig teknik med hænderne ned. På trods af bestræbelser på at syntetisere materialet, kunstige sorter kan stadig ikke matche den naturlige fiberstyrke.

Men ved at starte med silke produceret af silkeorme, nedbryde det kemisk, og derefter samle det igen, ingeniører har fundet ud af, at de kan lave et materiale, der er mere end dobbelt så stift som dets naturlige modstykke og kan formes til komplekse strukturer såsom masker og gitter.

Det nye materiale kaldes regenereret silkefiber (RSF) og kan finde en lang række anvendelser i kommercielle og biomedicinske omgivelser, siger forskerne. Resultaterne er rapporteret i journalen Naturkommunikation , i et papir af McAfee Professor of Engineering Markus Buehler, postdoc Shengjie Ling, forsker Zhao Qin, og tre andre på Tufts University.

Nogle slags silke fremstillet af edderkopper er blandt de stærkeste materialer, man kender, pund for pund. Men i modsætning til silkeorme, edderkopper kan ikke avles til at producere fibrene i nyttige mængder. Forskellige forskere, inklusive Buehler og hans samarbejdspartnere, har forsøgt at fremstille rent syntetisk silke i stedet, men disse bestræbelser har endnu ikke givet fibre, der kan matche styrken af ​​de naturlige versioner.

I stedet, holdet har nu udviklet en måde at udnytte de bedste kvaliteter af naturlig silke produceret af silkeorme, samtidig med at den bearbejdes på en måde, der gør den stærkere og åbner op for en lang række nye former og strukturer, som aldrig kunne dannes af naturlig silke.

Nøglen er at nedbryde den naturlige silke, men ikke for meget, siger holdet. Det er, de opløser kokonerne bygget af silkeorme, ikke til det punkt, at materialets molekylære struktur nedbrydes, men derimod i en mellemform bestående af mikrofibriller. Disse små, trådlignende samlinger bevarer nogle af de vigtige hierarkiske strukturer, der giver silken dens styrke.

Bühler, der er leder af Institut for Civil- og Miljøteknik, sammenligner denne genbrug af materialer med at rive et gammelt murstenshus ned. I stedet for bare at vælte huset ned i en bunke murbrokker, imidlertid, de enkelte mursten adskilles omhyggeligt og bruges derefter til at bygge en ny struktur. "Naturen er stadig bedre til at lave mikrostrukturer", der, som vist i nogle af hans tidligere undersøgelser, er ansvarlige for silkens unikke stivhed, elastiske egenskaber, han siger. "I dette tilfælde, vi udnytter det, naturen giver."

Selvom silketråd og stof er dyre, materialets omkostninger kommer hovedsageligt fra den arbejdskrævende proces med at optrevle tråden fra kokonen og væve den, ikke fra selve produktionen af ​​silkeormene og deres kokoner, som er ret billige, forklarer Ling. I bulk, uforarbejdede silkeormskokoner koster kun omkring $5 pr. kilogram (2,2 pund), han siger.

Ved at nedbryde silken og derefter ekstrudere den gennem en lille åbning, forskerne fandt ud af, at de kunne producere en fiber, der er dobbelt så stiv som konventionel silke og nærmer sig stivheden i edderkoppens drag-line silke. Denne proces kan åbne op for en række muligheder for nye anvendelser. For eksempel, silke er et naturligt biokompatibelt stof, der ikke producerer nogen bivirkninger i kroppen, så det nye materiale kunne være ideelt til applikationer som medicinske suturer, eller stilladser til vækst af ny hud eller andre biomaterialer.

Metoden giver også forskerne mulighed for at forme materialet på måder, der aldrig ville kunne kopieres af naturlig silke. Det kunne dannes, for eksempel, i masker, rør, fibre meget tykkere end naturlig silke, spoler, ark og andre former. "Vi er ikke tilfredse med, hvad [silkeormene] laver, Buehler siger. "Vi vil gerne lave vores egne nye materialer."

Sådanne former kan skabes ved at bruge det rekonstituerede materiale i en slags 3-D printsystem tilpasset til silkeopløsning, siger Qin. Og en fordel ved den nye proces er, at den kan udføres ved hjælp af konventionelle fremstillingsteknologier, så det burde ikke være svært at skalere det op til kommercielle mængder. Fiberens specifikke egenskaber, herunder dens stivhed og sejhed, kan styres efter behov blot ved at variere hastigheden af ​​ekstruderingsprocessen.

Disse rekonstituerede fibre er også meget følsomme over for forskellige niveauer af fugt, og de kan gøres elektrisk ledende ved at tilføje en tynd belægning af et andet materiale, såsom et lag af kulstof nanorør. Dette kunne muliggøre deres brug i en række forskellige sensorenheder, hvor en overflade dækket med et lag eller net af sådanne fibre kunne reagere på tryk på en fingerspids, eller ændringer i de omgivende forhold.

En mulig anvendelse, for eksempel, kan være et sengetøj lavet af sådanne fibre, siger Buehler. Et sådant lagen kunne bruges i plejefaciliteter for at hjælpe med at undgå liggesår ved at overvåge trykket og automatisk advare plejepersonalet, når en patient har ligget i samme stilling for længe med tryk i et bestemt område af kroppen. Sådanne applikationer kunne gøres praktiske meget hurtigt, han siger, da der ikke er nogen reelle hindringer tilbage for at producere materiale, der er egnet til sådanne anvendelser.