Zirnekļi uzņem nanocaurules, pēc tam auž zīdu, kas pastiprināts ar oglekli

Zirnekļa zīds ir viens no neparastākajiem zinātnei zināmajiem materiāliem. Proteīna šķiedra, ko zirnekļi vērpuši, lai izveidotu tīklus, ir stiprāka par gandrīz visu, ko var izgatavot cilvēki.

Dragline zīda zirnekļi, ko izmanto, lai izveidotu tīkla ārējo apmali un spieķus, ir pārsteidzošs materiāls. Tas atbilst augstas kvalitātes leģētam tēraudam stiepes izturības ziņā, bet ir apmēram sestā daļa no blīvuma. Tas ir arī ļoti elastīgs, dažreiz var izstiepties līdz piecas reizes garāks.

Šī izturības un lokanības kombinācija padara zirnekļa zīdu ārkārtīgi izturīgu, kas atbilst vismodernāko oglekļa šķiedru, piemēram, Kevlar, izturībai.

Tāpēc ir pašsaprotami, ka spēja padarīt zirnekļa zīdu vēl stiprāku un izturīgāku būtu nozīmīgs zinātnisks apvērsums. Tāpēc Nikolas Pugno (Nikola Pugno) Trento Universitātē Itālijā un dažu draugu darbs ir kaut kas tāds, kas ir tāds kā žokļa piliens.

Šie puiši ir atraduši veidu, kā iekļaut oglekļa nanocaurules un grafēnu zirnekļa zīdā un palielināt tā izturību un stingrību, pārsniedzot jebko, kas bija iespējams iepriekš. Iegūtajam materiālam ir tādas īpašības kā lūzuma izturība, Janga modulis un stingrības modulis, kas ir augstāks nekā jebkad agrāk izmērītais.

Komandas pieeja ir samērā vienkārša. Viņi sāka ar 15 Pholcidae zirnekļiem, kas savākti no Itālijas laukiem un kurus viņi turēja kontrolētos apstākļos savā laboratorijā. Viņi savāca šo zirnekļu ražoto zīda paraugus kā atsauci.

Pēc tam komanda izmantoja glītu triku, lai zirnekļa zīdā ievietotu oglekļa nanocaurules un grafēna pārslas. Viņi vienkārši apsmidzināja zirnekļus ar ūdeni, kas satur nanocaurules vai pārslas, un pēc tam izmēra zirnekļu radītā zīda mehāniskās īpašības.

Katrai zīda šķiedrai viņi fiksēja šķiedru starp diviem C formas kartona turētājiem un ievietoja to ierīcē, kas var izmērīt slodzi uz šķiedras ar izšķirtspēju 15 nanoņūtonu un jebkuru šķiedras pārvietojumu ar izšķirtspēju 0,1 nanometrs.

Rezultāti nodrošina iespaidīgu lasīšanu. Mēs izmērām lūzuma izturību līdz 5,4 GPa, Janga moduli līdz 47,8 GPa un izturības moduli līdz 2,1 GPa, saka Pugno un citi. Tas ir augstākais šķiedru izturības modulis, pārspējot sintētiskās polimēru augstas veiktspējas šķiedras (piemēram, Kelvar49) un pat pašreizējās izturīgākās mezglotās šķiedras.

Citiem vārdiem sakot, dodot zirnekļiem ūdeni, kas ir piesūcināts ar oglekļa nanocaurulītēm, tie ļauj aust zīdu stiprāk nekā jebkura zināma šķiedra.

Darbs rada dažus interesantus jautājumus. Sākumā nav skaidrs, kā tieši zirnekļi savā zīdā iekļauj oglekļa nanocaurules un grafēna pārslas. Komanda izmanto spektroskopiskās metodes, lai parādītu, ka materiāli, kuru pamatā ir ogleklis, atrodas šķiedrā, bet nevar precīzi parādīt, kā tas notiek.

Viena iespēja ir tāda, ka pēc vērpšanas zīds tiek pārklāts ar šiem materiāliem uz oglekļa bāzes. Pugno un co nevar izslēgt to, bet saka, ka tas ir maz ticams, jo iegūtajai struktūrai nebūtu tāda stipruma, kādu viņi izmērīja. Viņi saka, ka šāds ārējais pārklājums uz šķiedras virsmas nav paredzams, ka tas būtiski veicinās novēroto mehānisko nostiprināšanos.

Tā vietā komanda saka, ka ir lielāka iespēja, ka zirnekļi uzņem ūdeni kopā ar materiāliem, kuru pamatā ir ogleklis, un tie pēc tam tiek iekļauti šķiedrās, kad tā tiek vērpta. Tātad nanocaurules un grafēns nonāk katras šķiedras centrālajā daļā, kur tiem var būt vislielākā ietekme uz tās stiprību.

Komanda pat ir simulējusi iegūto molekulāro struktūru un saka, ka mehāniskās īpašības labi saskan ar eksperimentālajiem rezultātiem.

Protams, priekšā ir izaicinājumi. Neviens nav atklājis efektīvu veidu, kā novākt zirnekļa zīdu, kaut arī ne mēģinājuma dēļ. Tātad svarīgs nākotnes solis būs tādas tehnikas izstrāde, kas var darboties rūpnieciskā mērogā. Tas pavērtu ceļu plaši izplatītam pielietojumam visās jomās, sākot no audu remonta līdz apģērba dizainam.

Šī nav pirmā reize, kad pētnieki ir mēģinājuši pārveidot zirnekļa zīdu. Dažādas grupas ir pievienojušas metāliskus elementus, ievietojot zīdu atbilstošā tvaikā. Tādā veidā tie ir ievērojami palielinājuši zīda izturību un stingrību, lai gan nekad tiktāl, cik tas ir izdevies Pugno un co.

Tāpēc viņu darbs ir iespaidīgs. Zirnekļa zīda neparastās īpašības ir 400 miljonu gadu ilgas evolūcijas rezultāts. Tātad šāds būtisks uzlabojums noteikti ir kaut kas īpašs.

Un tehnikas vienkāršība liecina, ka līdzīgu pieeju varētu izmantot arī citiem organismiem. Viņi saka, ka šo jauno pastiprināšanas procedūru varētu piemērot arī citiem dzīvniekiem un augiem, tādējādi radot jaunu bionisko materiālu klasi.

Atsauce: arxiv.org/abs/1504.06751 : zīds, kas pastiprināts ar grafēna vai oglekļa nanocaurulēm, ko savērpuši zirnekļi

paslēpties