Zainspirowani fantastycznymi zdolnościami komiksowych superbohaterów naukowcy z Tufts University opracowali technologię przerzucania sieci z wykorzystaniem fibroiny jedwabiu.
Ten innowacyjny materiał może wystrzelić z urządzenia, zestalić się w powietrzu i mocno przylegać do przedmiotów, demonstrując potencjał podnoszenia przedmiotów znacznie cięższych od siebie i torując drogę do różnorodnych zastosowań technologicznych.
Technologia web-slingingu pojawia się na Uniwersytecie Tufts
Każde dziecko, które kiedykolwiek zagłębiło się w komiks lub oglądało film o Spider-Manie, zastanawiało się, jak to jest wystrzelić sieć z nadgarstka, szybować nad ulicami miasta i łapać złoczyńców. Naukowcy z Uniwersytetu Tufts zamienili te fantazje w rzeczywistość, opracowując pierwszą technologię zawieszania sieci. To innowacyjne urządzenie wystrzeliwuje z igły płynny materiał, który natychmiast zestala się w strunę zdolną do przylegania i podnoszenia przedmiotów.
W Silklabie na Uniwersytecie Tufts te lepkie włókna są przędzone z kokonów ćmy jedwabnej. Kokony te gotuje się w roztworze, aby rozłożyć je na białka budulcowe, zwane fibroiną. Roztwór fibroiny jedwabiu jest następnie wytłaczany przez igły o wąskiej średnicy, tworząc strumień, który przy kontakcie z powietrzem twardnieje we włókno, za pomocą specjalnych dodatków.
Płynny strumień jedwabiu zestala się we włókno, przylega do szklanej zlewki laboratoryjnej i unosi ją. Źródło: Marco Lo Presti, Uniwersytet Tufts
Plan natury inspiruje innowacje
Oczywiście natura jest oryginalną inspiracją do wykorzystania włókien jedwabiu w pętach, sieciach i kokonach. Pająki, mrówki, osy, pszczoły, motyle, ćmy, chrząszcze, a nawet muchy mogą na pewnym etapie swojego cyklu życia wytwarzać jedwab. Natura zainspirowała także firmę Silklab do pionierskiego wykorzystania fibroiny jedwabiu do wytwarzania mocnych klejów, które mogą działać pod wodą, czujniki do druku które można nakładać na praktycznie każdą powierzchnię, jadalne powłoki które mogą przedłużyć trwałość produktów, a materiał zbierający światło które mogłyby znacznie zwiększyć wydajność ogniw słonecznych, oraz bardziej zrównoważone metody produkcji mikrochipów.
Przełomy inżynieryjne i przypadkowe odkrycia
Chociaż jednak poczynili znaczne postępy w zakresie materiałów na bazie jedwabiu, badaczom nie udało się jeszcze powtórzyć mistrzostwa pająków, które potrafią kontrolować sztywność, elastyczność i właściwości adhezyjne nici, które tkają.
Przełom nastąpił zupełnie przez przypadek. „Pracowałem nad projektem polegającym na wytwarzaniu niezwykle mocnych klejów na bazie fibroiny jedwabiu i podczas czyszczenia wyrobów szklanych acetonem zauważyłem, że na dnie szkła tworzy się materiał przypominający pajęczynę” – powiedział Marco Lo Presti, adiunkt w Pęczki.
Przypadkowe odkrycie przezwyciężyło kilka wyzwań inżynieryjnych związanych z replikacją nici pająka. Roztwory fibroiny jedwabiu mogą powoli tworzyć półstały hydrożel w ciągu kilku godzin pod wpływem rozpuszczalników organicznych, takich jak etanol lub aceton, ale obecność dopaminaktóry jest używany do produkcji klejów, pozwolił na niemal natychmiastowe zajście procesu krzepnięcia. Po szybkim domieszaniu rozpuszczalnika organicznego roztwór jedwabiu szybko utworzył włókna o dużej wytrzymałości na rozciąganie i lepkości. Dopamina i jej polimery wykorzystują tę samą chemię, której używają pąkle do tworzenia włókien, które mocno przylegają do powierzchni.
Płynny strumień roztworu jedwabiu zestala się, tworząc włókno, przylega do kilku stalowych śrub i unosi je z szalki Petriego wypełnionej piaskiem. Źródło: Marco Lo Presti, Uniwersytet Tufts
Zaawansowane włókna fibroiny jedwabiu
Kolejnym krokiem było przędzenie włókien w powietrzu. Naukowcy dodali dopaminę do roztworu fibroiny jedwabiu, co wydawało się przyspieszać przejście ze stanu płynnego do stałego poprzez odciąganie wody z jedwabiu. Po przepuszczeniu przez współosiową igłę cienki strumień roztworu jedwabiu zostaje otoczony warstwą acetonu, co powoduje zestalenie. Aceton odparowuje w powietrzu, pozostawiając włókno przyczepione do dowolnego przedmiotu, z którym się zetknie. Naukowcy wzbogacili roztwór fibroiny jedwabiu i dopaminy o chitozan, pochodną egzoszkieletów owadów, która nadała włóknom nawet 200-krotnie większą wytrzymałość na rozciąganie, oraz bufor boranowy, który zwiększył ich przyczepność około 18-krotnie.
Po wstrzyknięciu do acetonu roztwór fibroiny jedwabiu z dopaminą i innymi dodatkami spontanicznie tworzy materiał przypominający sieć. Źródło: Marco Lo Presti, Uniwersytet Tufts
Zademonstrowano zastosowania w świecie rzeczywistym
Średnicę włókien można zmieniać od średnicy ludzkiego włosa do około pół milimetra, w zależności od średnicy igły.
Urządzenie może strzelać włóknami, które w różnych warunkach mogą uchwycić przedmioty o masie ponad 80 razy większej niż ich własna. Naukowcy wykazali to, podnosząc z odległości około 12 centymetrów kokon, stalową śrubę, rurkę laboratoryjną unoszącą się na wodzie, skalpel częściowo zakopany w piasku i drewniany klocek.
Inspiracja superbohaterami napędza przyszłe innowacje
Lo Presti zauważyła, że „jeśli spojrzysz na naturę, odkryjesz, że pająki nie potrafią strzelać ze swojej sieci. Zwykle wypuszczają jedwab ze swoich gruczołów, fizycznie stykają się z powierzchnią i rysują linie, aby zbudować swoją sieć. Pokazujemy, jak wystrzelić włókno z urządzenia, a następnie przyczepić się do obiektu i podnieść go z dużej odległości. Zamiast przedstawiać tę pracę jako materiał inspirowany biologią, jest to w rzeczywistości materiał inspirowany superbohaterami”.
Naturalny jedwab pajęczy jest nadal około 1000 razy mocniejszy niż włókna sztuczne w tym badaniu. Jednak przy odrobinie dodatkowej wyobraźni i inżynierii innowacja będzie nadal udoskonalana i toruje drogę dla różnorodnych zastosowań technologicznych.
Skrzyżowanie wyobraźni i nauki
„Jako naukowcy i inżynierowie poruszamy się po granicy między wyobraźnią a praktyką. To tam dzieje się cała magia” – powiedział Fiorenzo Omenetto, profesor inżynierii Frank C. Doble na Uniwersytecie Tufts i dyrektor Silklabu. „Możemy inspirować się naturą. Inspiracją mogą być dla nas komiksy i science fiction. W tym przypadku chcieliśmy poddać inżynierii wstecznej nasz jedwabny materiał, aby zachowywał się tak, jak pierwotnie go zaprojektowała natura i jak wyobrażali sobie to twórcy komiksów”.
Odniesienie: „Dynamiczne włókna samoprzylepne do zdalnego przechwytywania obiektów” autorstwa Marco Lo Presti, Marina Portoghese, Gianluca M. Farinola i Fiorenzo G. Omenetto, 24 września 2024 r., Zaawansowane materiały funkcjonalne.
DOI: 10.1002/adfm.202414219
Innowacja została opublikowana w czasopiśmie Zaawansowane materiały funkcjonalne.
