Als het gaat om het bedenken van de complexe mix van moleculen waaruit vezels van natuurlijke zijde bestaan, de natuur verslaat de menselijke techniek zonder twijfel. Ondanks pogingen om het materiaal te synthetiseren, kunstmatige variëteiten kunnen de sterkte van de natuurlijke vezel nog steeds niet evenaren.

Maar door te beginnen met zijde geproduceerd door zijderupsen, het chemisch afbreken, en dan weer in elkaar zetten, ingenieurs hebben ontdekt dat ze een materiaal kunnen maken dat meer dan twee keer zo stijf is als zijn natuurlijke tegenhanger en kan worden gevormd tot complexe structuren zoals mazen en roosters.

Het nieuwe materiaal wordt geregenereerde zijdevezel (RSF) genoemd en kan tal van toepassingen vinden in commerciële en biomedische omgevingen, zeggen de onderzoekers. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van McAfee Professor of Engineering Markus Buehler, postdoc Shengjie Ling, onderzoekswetenschapper Zhao Qin, en drie anderen aan de Tufts University.

Sommige soorten zijde die door spinnen worden geproduceerd, behoren tot de sterkste materialen die bekend zijn, pond voor pond. Maar in tegenstelling tot zijderupsen, spinnen kunnen niet worden gefokt om de vezels in bruikbare hoeveelheden te produceren. Diverse onderzoekers, inclusief Buehler en zijn medewerkers, hebben geprobeerd om in plaats daarvan puur synthetische zijde te maken, maar die inspanningen hebben nog geen vezels opgeleverd die de sterkte van de natuurlijke versies kunnen evenaren.

In plaats daarvan, het team heeft nu een manier ontwikkeld om de beste kwaliteiten van natuurlijke zijde, geproduceerd door zijderupsen, te benutten, terwijl het wordt verwerkt op een manier die het sterker maakt en een breed scala aan nieuwe vormen en structuren opent die nooit uit natuurlijke zijde zouden kunnen worden gevormd.

De sleutel is om de natuurlijke zijde af te breken, maar niet te veel, zegt het team. Dat is, ze lossen de cocons op die zijn gebouwd door zijderupsen, niet zozeer dat de moleculaire structuur van het materiaal afbreekt, maar eerder in een tussenvorm bestaande uit microfibrillen. Deze kleine, draadachtige assemblages behouden enkele van de belangrijke hiërarchische structuren die de zijde zijn kracht geven.

Bühler, wie is het hoofd van de afdeling Civiele Techniek en Milieutechniek, vergelijkt deze recycling van materialen met het afbreken van een oud bakstenen huis. In plaats van het huis in een puinhoop te storten, echter, de afzonderlijke stenen worden zorgvuldig gescheiden en vervolgens gebruikt om een ​​nieuwe structuur te bouwen. "De natuur is nog steeds beter in het maken van de microstructuren" die, zoals aangetoond in een aantal van zijn eerdere onderzoek, zijn verantwoordelijk voor de unieke stijve, rekbare eigenschappen, hij zegt. "In dit geval, we profiteren van wat de natuur biedt."

Hoewel zijden draad en stof duur zijn, de kosten van het materiaal komen voornamelijk van het arbeidsintensieve proces van het ontrafelen van de draad uit de cocon en het weven ervan, niet van de feitelijke productie van de zijderupsen en hun cocons, die vrij goedkoop zijn, legt Ling uit. massaal, onbewerkte cocons van zijderupsen kosten slechts ongeveer $ 5 per kilogram (2,2 pond), hij zegt.

Door de zijde af te breken en vervolgens door een kleine opening te extruderen, de onderzoekers ontdekten dat ze een vezel konden produceren die twee keer zo stijf was als conventionele zijde en de stijfheid van spin-sleeplijnzijde benaderde. Dit proces zou een verscheidenheid aan mogelijkheden voor nieuwe toepassingen kunnen openen. Bijvoorbeeld, zijde is een van nature biocompatibele stof die geen nadelige reacties in het lichaam veroorzaakt, dus het nieuwe materiaal zou ideaal kunnen zijn voor toepassingen zoals medische hechtingen, of steigers voor de groei van nieuwe huid of andere biomaterialen.

De methode stelt de onderzoekers ook in staat om het materiaal vorm te geven op manieren die nooit zouden kunnen worden gedupliceerd door natuurlijke zijde. Het zou gevormd kunnen worden, bijvoorbeeld, in mazen, buizen, vezels veel dikker dan natuurlijke zijde, wikkelen, vellen en andere formulieren. "We zijn niet tevreden met wat [de zijderupsen] maken, " zegt Buehler. "We willen onze eigen nieuwe materialen maken."

Dergelijke vormen kunnen worden gemaakt door het gereconstitueerde materiaal te gebruiken in een soort 3D-printsysteem dat is aangepast voor zijdeoplossing, zegt Qin. En een voordeel van het nieuwe proces is dat het kan worden uitgevoerd met behulp van conventionele productietechnologieën, dus opschalen naar commerciële hoeveelheden zou niet moeilijk moeten zijn. De specifieke eigenschappen van de vezel, inclusief zijn stijfheid en taaiheid, kan naar behoefte worden geregeld door simpelweg de snelheid van het extrusieproces te variëren.

Deze gereconstitueerde vezels zijn ook erg gevoelig voor verschillende vochtigheidsniveaus, en ze kunnen elektrisch geleidend worden gemaakt door een dunne coating van een ander materiaal toe te voegen, zoals een laag koolstofnanobuisjes. Dit zou hun gebruik in verschillende detectieapparaten mogelijk maken, waar een oppervlak bedekt met een laag of gaas van dergelijke vezels zou kunnen reageren op de druk van een vingertop, of aan veranderingen in de omgevingsomstandigheden.

Een mogelijke toepassing, bijvoorbeeld, kan een laken zijn dat van dergelijke vezels is gemaakt, zegt Bühler. Een dergelijk laken zou kunnen worden gebruikt in verpleeginstellingen om doorligwonden te helpen voorkomen door de druk te bewaken en zorgverleners automatisch te waarschuwen wanneer een patiënt te lang in dezelfde positie heeft gelegen met druk in een bepaald deel van het lichaam. Dergelijke toepassingen kunnen zeer snel praktisch worden gemaakt, hij zegt, aangezien er geen echte obstakels meer zijn voor het produceren van materiaal dat geschikt is voor dergelijke toepassingen.