Spider dragline silke som torsionsaktuator drevet af fugt til applikationer som kunstig muskel

Edderkoppesilke er en selvsamlende biopolymer med hydrogenbindinger, der ligger til grund for dens kemiske struktur, men på trods af svag kemisk binding overgår den de fleste materialer i forhold til mekanisk ydeevne. Biopolymeren er fremstillet af spider major ampulatkirtlen og er en ekstraordinær fiber, der kan overgå de fleste syntetiske materialer i mekanisk sejhed ved at balancere styrke og forlængelse/fleksibilitet. Egenskaber ved spider dragline silke omfatter høj varmeledningsevne, ejendommelig torsionsdynamik og potentialet for exceptionel vibrationsudbredelse. For at tilføje mere sondring til den naturlige fiber, spider dragline silke viser en gigantisk form-hukommelseseffekt ved eksponering for vand; i en effekt kendt som superkontraktion. De unikke og bemærkelsesværdige egenskaber ved edderkoppesilke tilskrives dens hierarkiske struktur og morfologi.

I en nylig undersøgelse, nu udgivet i Videnskabens fremskridt , Dabiao Liu og medarbejdere på de tværfaglige forskningsområder inden for ingeniørvidenskab, fysik, molekylær mekanik, biomedicinsk teknik og biovidenskab, rapport om den nye funktion af fugt-induceret vridningsadfærd af edderkoppesilke. De demonstrerede virkningen af ​​edderkoppesilke og mulige strukturelle oprindelser af torsionsreaktionen i undersøgelsen med potentiale til at konstruere en "helt ny klasse af materialer". At forstå forholdet mellem struktur og egenskab af edderkoppesilke kan gavne materialeforskere ved at give et indtryk af biopolymerens præcise fysiske natur. Nye biomaterialer baseret på de betydelige mekaniske egenskaber af edderkoppesilke kan konstrueres til at omsætte materialets struktur-egenskabsforhold til praktiske anvendelser.

Spider dragline silkemateriale er følsomt over for vand og kan krympe op til halvtreds procent i længden med radial hævelse. Vand kan afbryde hydrogenbindinger ved høj luftfugtighed for at omarrangere de nanokrystallinske molekyler til lavere energetiske konfigurationer, resulterer i superkontraktion. Inden for anvendt videnskab og ingeniørvidenskab, superkontraktion kan finde originale applikationer som kunstige muskler eller trækaktuatorer. For eksempel, edderkoppesilke fra Nephila clavipes og Ornithoctonus huwena kan udvise en reproducerbar krympe-strækadfærd på grund af vand og fugt, tillader cyklisk vægtløftning. Nylige eksempler på sådanne applikationer omfatter konstruerede kunstige torsionsmuskler med syntetiske polymerer, kulstof nanorør og grafenfremstillede fibre.

Selvom tidligere undersøgelser har undersøgt torsionsegenskaber af edderkoppesilke, den strukturelle oprindelse af dens vridningsadfærd skal undersøges i dybden. I dette arbejde, Liu et al. observerede den unikke opførsel af edderkoppesilke sammenlignet med kontrolfibre såsom Bombyx mori silke, Kevlar fiber og menneskehår. Forskerne designede eksperimenterne for at afsløre den trinvise personlige reaktion af dragline silke på øget luftfugtighed. De udførte atomistiske simuleringer af to-komponent-proteinerne MaSp1 og MaSp2 for at forstå mekanismen for strukturel twist-adfærd på molekylets niveau. De foreslog derefter et muligt forhold mellem den observerede drejningsdeformation drevet af fugt og den molekylære struktur af dragline silke.

Liu et al. brugte dragline silke fra Nephila pilipes, Nephila eduli og Argiope versicolor edderkoppearter ved succesfuldt at replikere en tidligere metode til silkeprøveindsamling. De brugte et apparat baseret på billedbehandling til at studere fugt-drevet vridningsaktivering af de tynde fibre. I forsøgsopstillingen, forskerne brugte et torsionspendul lavet af en enkelt fiber indesluttet i et fugtskab og optog pendulets bevægelse ved hjælp af et videokamera, mens de øgede eller sænkede den relative fugtighed (RH). De designede to forskellige protokoller for at forstå, hvordan edderkoppesilke reagerer på den skiftende fugtighed; én protokol øgede RH trinvist for at opretholde høje værdier i en længere periode. I den anden metode, de ændrede RH cyklisk fra 40 til 100 procent og vendte tilbage til 40 procent fem gange.

Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM), videnskabsmændene karakteriserede først edderkoppesilkens morfologi og struktur. De udførte screeningstest på tre kontrolfibre; B. mori silke, menneskehår og Kevlar-fibre. Eksperimenterne afslørede de repræsentative fibres vridningsreaktioner på miljøets fugtighed. De observerede derefter fugtinducerede cykliske sammentrækninger/afslapninger af dragline-silke fra forskellige edderkoppearter for at forstå torsionsaktivering drevet af fugt i dragline-silke. Efter testene, overfladen af ​​dragline silken blev mere ru end i den indledende fase. Spider-dragline-silken fra N. pilipes opnåede torsionsdeformation på ca. 255 ⁰ /mm i én retning, en værdi, der er større end den, der genereres af kunstige kulstofnanorørsmuskler (250 ⁰ /mm) drevet af elektricitet. Værdien var også 1000 x større end dem, der blev rapporteret for andre aktuatorer baseret på formhukommelseslegering og ledende polymerer med vriddeformationsevne. Til A. versicolor dragline silke, torsionsaktiveringen startede ved 70 procent RF, denne værdi var lavere end for N. pilipes dragline silke, men stadig sammenlignelig med carbon nanorør muskler.

Liu et al. sammenlignede derefter resultaterne fra den anden protokol for cykliske fugtændringer, hvor edderkoppens dragline-silke viste vridningsreaktion, der var følsom over for fugt, tilvejebringelse af en metode til at kontrollere vridningsdeformation. Efterhånden som antallet af RH-cyklusser steg, vridningshastigheden og vinkelaccelerationen af ​​træklinesilken faldt, hvilket indikerer, at torsionsdeformation var ved at nå en tilstand af mætning. Forskerne registrerede, at al silke blev forlænget med cirka 5 til 10 procent efter hver test.

Da fugtinduceret twist er en unik egenskab ved edderkoppesilke, forskerne undersøgte den molekylære struktur og morfologien af ​​materialet for at afsløre den underliggende mekanisme for denne adfærd. De analyserede også de specifikke sekundære strukturer og hierarkiske strukturelle organisering af molekylet. Liu et al. viste, at tilstedeværelsen af ​​prolin i MaSp2-proteinet producerede en mere udtalt ensrettet drejning på skalaen af ​​det enkelte molekyle. Forskerne antog derfor, at den stribede lineære prolinringorientering kan have tvunget molekylet ind i et snoet mønster. Brug af molekylære simuleringsprotokoller på proteinniveau, de forklarede den observerede glasovergangsadfærd af edderkoppesilke ved høj RF.

På denne måde Liu et al. viste, at edderkoppesilke kan generere et stort twist (op til 255 ⁰ /mm for N. pilipes og 127 ⁰ /mm for A. versicolor spider dragline silke) under 70 procent RF. Forskerne viste, at torsionsaktivering af materialet kunne kontrolleres blot ved at justere niveauet af RH. Den observerede kraft genereret i træklinesilke var ikke passiv, men en aktiv tilstandsændring som reaktion på fugtens drivkraft. Den fugtinducerede drejning vendte træklinesilken til at fungere som en vridningsaktuator. Disse forskningsresultater vil have anvendelse i udviklingen af ​​fugtdrevne bløde robotter, nye sensorer med præcis luftfugtighed, smarte tekstiler eller grønne energienheder.

© 2019 Science X Network