Ny analyse af strukturen af ​​edderkoppesilker forklarer paradokset ved superstyrke

Edderkopper og silkeorme er mestre i materialevidenskab, men forskerne er endelig ved at indhente det. Silke er blandt de hårdeste materialer, man kender, stærkere og mindre skøre, pund for pund, end stål. Nu har videnskabsmænd ved MIT afsløret nogle af deres dybeste hemmeligheder inden for forskning, der kan lede vejen til skabelsen af ​​syntetiske materialer, der duplikerer, eller endda overskride, natursilkens ekstraordinære egenskaber.

Markus Bühler, Esther og Harold E. Edgerton Associate Professor i MIT's Department of Civil and Environmental Engineering, og hans team studerer grundlæggende egenskaber ved materialer, og hvordan disse materialer fejler. Med silke, det betød at bruge computermodeller, der ikke bare kan simulere molekylernes strukturer, men præcis hvordan de bevæger sig og interagerer i forhold til hinanden. Modellerne hjalp forskerne med at bestemme de molekylære og atomare mekanismer, der er ansvarlige for materialets bemærkelsesværdige mekaniske egenskaber.

Silks kombination af styrke og duktilitet - dens evne til at bøje eller strække uden at bryde - skyldes et usædvanligt arrangement af atombindinger, der i sagens natur er meget svage, Buehler og hans team fandt. Doktorand Sinan Keten, postdoc Zhiping Xu og bachelorstuderende Britni Ihle er medforfattere til en artikel om forskningen, der skal offentliggøres den 14. marts i tidsskriftet Naturmaterialer .

Silke er lavet af proteiner, herunder nogle, der er tynde, plane krystaller kaldet beta-sheets. Disse plader er forbundet med hinanden gennem hydrogenbindinger - blandt de svageste typer kemiske bindinger, I modsætning til, for eksempel, de meget stærkere kovalente bindinger, der findes i de fleste organiske molekyler. Buehlers team udførte en række computersimuleringer på atomniveau, der undersøgte de molekylære svigtmekanismer i silke. "Små, men stive krystaller viste evnen til hurtigt at gendanne deres brudte bindinger, og som et resultat mislykkes 'nådefuldt' - dvs. gradvist snarere end pludseligt, " forklarer kandidatstuderende Keten.

"I de fleste konstruerede materialer" - keramik, for eksempel - "høj styrke kommer med skørhed, " siger Buehler. "Når duktilitet er introduceret, materialer bliver svage." Men ikke silke, som har høj styrke på trods af at den er bygget af iboende svage byggesten. Det viser sig, at det er fordi disse byggeklodser - de små beta-ark-krystaller, såvel som filamenter, der forbinder dem - er arrangeret i en struktur, der ligner en høj stak pandekager, men med krystalstrukturerne inden i hver pandekage vekslende i deres orientering. Denne særlige geometri af bittesmå silke nanokrystaller gør det muligt for hydrogenbindinger at arbejde sammen, forstærkning af tilstødende kæder mod eksterne kræfter, hvilket fører til edderkoppesilkens enestående strækbarhed og styrke.

Et overraskende fund fra det nye arbejde er, at der er en kritisk afhængighed af silkens egenskaber af den nøjagtige størrelse af disse beta-sheet-krystaller i fibrene. Når krystalstørrelsen er omkring tre nanometer, materialet har sine ultra-stærke og duktile egenskaber. Men lad disse krystaller vokse lige over til fem nanometer, og materialet bliver svagt og skørt.

Buehler siger, at arbejdet har implikationer langt ud over blot at forstå silke. Han bemærker, at resultaterne kunne anvendes på en bredere klasse af biologiske materialer, såsom træ eller plantefibre, og bio-inspirerede materialer, såsom nye fibre, garn og stoffer eller vævserstatningsmaterialer, at fremstille en række nyttige materialer ud af enkle, almindelige elementer. For eksempel, han og hans team ser på muligheden for at syntetisere materialer, der har en struktur, der ligner silke, men ved at bruge molekyler, der i sagens natur har større styrke, såsom kulstof nanorør.

Den langsigtede effekt af denne forskning, Buehler siger, vil være udviklingen af ​​et nyt materialedesignparadigme, der muliggør skabelsen af ​​yderst funktionelle materialer ud fra rigelige, billige materialer. Dette ville være en afvigelse fra den nuværende tilgang, hvor stærke bånd, dyre bestanddele, og energikrævende forarbejdning (ved høje temperaturer) bruges til at opnå højtydende materialer.

Peter Fratzl, professor i afdelingen for biomaterialer i Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam, Tyskland, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, at "styrken ved dette team er deres banebrydende multi-skala teoretiske tilgang" til at analysere naturlige materialer. Han tilføjer, at dette er "det første bevis fra teoretisk modellering af, hvordan hydrogenbindinger, så svage som de måtte være, kan give høj styrke og sejhed, hvis det er arrangeret på en passende måde i materialet."

Professor i biomaterialer Thomas Scheibel fra University of Bayreuth, Tyskland, som heller ikke var involveret i dette arbejde, siger, at Buehlers arbejde er af "højeste kaliber, " og vil stimulere meget yderligere forskning. MIT-teamets tilgang, han siger, "vil give et grundlag for bedre forståelse af visse biologiske fænomener, der hidtil ikke er forstået."