Новый метод горячего прессования шелка создает биосовместимый композит прочностью почти как кевлар
Международная группа исследователей из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Мичиганского университета разработала новый способ превращения натурального шелка в сверхпрочный твердый материал. В отличие от предыдущих методов, новый подход не требует растворения волокон или использования синтетических добавок. Полученный материал по прочности и ударной вязкости сопоставим с передовыми композитами, но при этом остается биосовместимым и пригодным для настройки под медицинские нужды.
Вместо того чтобы расщеплять шелк до белков и затем перестраивать его, команда соединила выровненные шелковые волокна напрямую, используя контролируемое нагревание и давление. Этот процесс сохраняет большую часть исходной молекулярной структуры шелка, что позволяет конечному материалу удерживать естественную прочность волокон. Исследователи сообщили, что сплавленный шелк превосходит такие материалы, как кость и древесина, по прочности на разрыв и вплотную приближается к кевлару. Кроме того, он показал более высокую устойчивость к баллистическим ударам, чем некоторые углеволоконные полимерные композиты.
Как пояснила Чуньмэй Ли, научный сотрудник Школы инженерии Университета Тафтса, традиционные методы разрушают натуральные волокна до отдельных белков фиброина перед формованием, из-за чего теряется значительная часть природной прочности исходных волокон. При новом методе нет необходимости растворять шелк — волокна просто выравнивают, а затем под действием тепла и давления они сплавляются за один этап.
Материал создается из коммерчески доступных коконов тутового шелкопряда, используемых в текстильном производстве. Сначала исследователи удалили серицин — липкое покрытие вокруг волокон — с помощью мягкого раствора карбоната натрия. После этого волокна выровняли и подвергли горячему прессованию при тщательно контролируемых температурах и давлениях. В процессе нагревания более подвижные части белковой структуры шелка размягчались ровно настолько, чтобы связать соседние волокна, сохраняя при этом кристаллические области, отвечающие за прочность и гибкость. Дэвид Каплан, профессор инженерии из Университета Тафтса, объяснил, что шелк подобен композиту: в нем есть более подвижная аморфная фаза белков волокна и часть белковой цепи, которая сворачивается, образуя листовидные поверхности, складывающиеся в кристаллические структуры.
Ученые определили оптимальные параметры обработки: температура от 125 °C до 215 °C градусов и давление от 1900 до 9800 атмосфер. Слишком слабый нагрев или давление создают менее прочные структуры, а чрезмерные температуры делают материал хрупким. Конечная структура на микроскопическом уровне напоминает древесину — сплавленные пучки выровненных волокон эффективно распределяют нагрузку. По словам исследователей, именно эта иерархическая структура обеспечивает необычное сочетание прочности и долговечности.
Команда также испытала сплавленный шелк для биомедицинских применений. Исследования на животных показали, что материал вызывает лишь слабый иммунный ответ, который со временем уменьшается. Исследователи выяснили, что можно регулировать скорость разложения материала, изменяя условия обработки. Менее плотно сплавленные версии позволяют клеткам постепенно проникать внутрь, тогда как более плотные формы устойчивы к распаду и остаются стабильными в течение длительного времени. Чуньмэй Ли отметила, что ученые могут контролировать, как быстро материал разлагается, в зависимости от используемых условий. Исследователи полагают, что этот материал в перспективе можно использовать для ортопедических имплантатов, таких как пластины, винты и фиксирующие устройства для переломов костей, благодаря его прочности и биосовместимости.
Кроме того, ученые Мичиганского университета обнаружили, что сплавленный шелк способен поляризовать терагерцовое излучение, которое применяется в сканерах аэропортов, медицинской визуализации и системах химического обнаружения. Исследователи заявили, что это свойство может поддержать будущие технологии связи 6G, способные передавать данные значительно быстрее, чем современные сети 5G.
Исследование в журнале Nature Sustainability.