Uldlignende materiale kan huske og ændre form

Som enhver, der nogensinde har glattet deres hår, ved, vand er fjenden. Hår, der omhyggeligt er glattet af varme, vil hoppe tilbage i krøller i det øjeblik, det rører vand. Hvorfor? Fordi hår har formhukommelse. Dens materialeegenskaber gør det muligt for den at ændre form som reaktion på visse stimuli og vende tilbage til sin oprindelige form som reaktion på andre.

Hvad hvis andre materialer, især tekstiler, havde denne form for formhukommelse? Forestil dig en t-shirt med køleventiler, der åbnede, når den udsættes for fugt og lukkes, når den er tør, eller one-size-fits-all tøj, der strækker sig eller krymper efter en persons mål.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet et biokompatibelt materiale, der kan 3-D-printes i enhver form og forprogrammeres med reversibel formhukommelse. Materialet er lavet af keratin, et fibrøst protein, der findes i hår, søm og skaller. Forskerne udvandt keratinen fra resterende Agora-uld, der blev brugt til tekstilfremstilling.

Forskningen kan hjælpe den bredere indsats for at reducere spild i modeindustrien, en af ​​de største forurenere på kloden. Allerede, designere som Stella McCarthy genskaber, hvordan industrien bruger materialer, inklusive uld.

"Med dette projekt vi har vist, at vi ikke kun kan genbruge uld, men at vi kan bygge ting ud af genbrugsuld, som vi aldrig har forestillet os før, " sagde Kit Parker, Tarr-familiens professor i bioteknik og anvendt fysik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Konsekvenserne for naturressourcernes bæredygtighed er klare. Med genanvendt keratinprotein, vi kan gøre lige så meget, eller mere, end hvad der er blevet gjort ved at klippe dyr til dato og, derved, reducere miljøbelastningen fra tekstil- og modeindustrien."

Forskningen er publiceret i Naturmaterialer.

Nøglen til keratins formændrende evner er dens hierarkiske struktur, sagde Luca Cera, en postdoc ved SEAS og førsteforfatter til papiret.

En enkelt kæde af keratin er arrangeret i en fjederlignende struktur kendt som alfa-helix. To af disse kæder snoes sammen for at danne en struktur kendt som en oprullet spole. Mange af disse oprullede spoler er samlet til protofilamenter og til sidst store fibre.

"Organiseringen af ​​alfa-helixen og de bindende kemiske bindinger giver materialet både styrke og formhukommelse, " sagde Cera.

Når en fiber strækkes eller udsættes for en bestemt stimulus, de fjederlignende strukturer ruller ud, og bindingerne justeres igen for at danne stabile beta-sheets. Fiberen forbliver i den position, indtil den udløses til at rulle tilbage til sin oprindelige form.

For at demonstrere denne proces, forskerne 3-D-printede keratinplader i en række forskellige former. De programmerede materialets permanente form - den form det altid vil vende tilbage til, når det udløses - ved hjælp af en opløsning af hydrogenperoxid og mononatriumphosphat.

Når hukommelsen var indstillet, arket kunne omprogrammeres og støbes til nye former.

For eksempel, et keratinark blev foldet til en kompleks origamistjerne som dens permanente form. Når hukommelsen var indstillet, forskerne sænkede stjernen i vand, hvor den foldede sig ud og blev formbar. Derfra, de rullede lagen til et tæt rør. Når det er tørt, lagen var låst ind som et fuldt stabilt og funktionelt rør. For at vende processen, de sætter røret tilbage i vandet, hvor den rullede sig ud og foldede sig tilbage til en origamistjerne.

"Denne to-trins proces med 3D-print af materialet og derefter indstilling af dets permanente former giver mulighed for fremstilling af virkelig komplekse former med strukturelle funktioner ned til mikronniveau, " sagde Cera. "Dette gør materialet velegnet til en lang række anvendelser fra tekstil til vævsteknologi."

"Uanset om du bruger fibre som denne til at lave brystholdere, hvis skålstørrelse og form kan tilpasses hver dag, eller du forsøger at lave aktuerende tekstiler til medicinsk behandling, mulighederne for Lucas arbejde er brede og spændende, " sagde Parker. "Vi fortsætter med at genskabe tekstiler ved at bruge biologiske molekyler som tekniske substrater, som de aldrig har været brugt før."