Spinzijde is een zelfassemblerend biopolymeer met waterstofbruggen die ten grondslag liggen aan de chemische structuur, maar ondanks zwakke chemische binding presteert het beter dan de meeste materialen in vergelijking met mechanische prestaties. Het biopolymeer wordt geproduceerd uit de spider major ampullate gland en is een buitengewone vezel die de meeste synthetische materialen kan overtreffen in mechanische taaiheid door een evenwicht te vinden tussen sterkte en extensie/flexibiliteit. Eigenschappen van spider dragline zijde zijn onder meer een hoge thermische geleidbaarheid, eigenaardige torsiedynamiek en het potentieel voor uitzonderlijke trillingsvoortplanting. Om meer onderscheid aan de natuurlijke vezel toe te voegen, spider dragline zijde vertoont een gigantisch vormgeheugeneffect bij blootstelling aan water; in een effect dat bekend staat als supercontractie. De unieke en opmerkelijke eigenschappen van spider dragline zijde worden toegeschreven aan de hiërarchische structuur en morfologie.

In een recente studie, nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Dabiao Liu en medewerkers op de multidisciplinaire onderzoeksgebieden engineering, natuurkunde, moleculaire mechanica, biomedische technologie en life sciences, rapport over het nieuwe kenmerk van door vocht geïnduceerd torsiegedrag van spinrag. Ze demonstreerden de impact van spider dragline-zijde en mogelijke structurele oorsprong van de torsierespons in het onderzoek met het potentieel om een ​​"hele nieuwe klasse van materialen" te ontwikkelen. Het begrijpen van de structuur-eigenschaprelatie van spinzijde kan materiaalwetenschappers ten goede komen door een indruk te geven van de precieze fysieke aard van het biopolymeer. Nieuwe biomaterialen gebaseerd op de significante mechanische eigenschappen van spinnenzijde kunnen worden ontwikkeld om de structuur-eigenschaprelatie van het materiaal te vertalen naar praktische toepassingen.

Spider dragline zijde materiaal is gevoelig voor water en kan tot vijftig procent in lengte krimpen met radiale zwelling. Water kan bij een hoge luchtvochtigheid waterstofbruggen verbreken om de nanokristallijne moleculen te herschikken naar lagere energetische configuraties. resulterend in supercontractie. In toegepaste wetenschappen en techniek, supercontractie kan originele toepassingen vinden als kunstmatige spieren of trekkrachten. Bijvoorbeeld, spinzijde van Nephila clavipes en Ornithoctonus huwena kan een reproduceerbaar krimprekgedrag vertonen door water en vochtigheid, waardoor cyclisch gewichtheffen kan plaatsvinden. Recente voorbeelden van dergelijke toepassingen zijn onder meer geconstrueerde torsiekunstspieren met synthetische polymeren, koolstofnanobuisjes en uit grafeen gemaakte vezels.

Hoewel eerdere studies torsie-eigenschappen van spider dragline zijde hebben onderzocht, structurele oorsprong van zijn torsiegedrag moet nog diepgaand worden onderzocht. In dit werk, Liu et al. observeerde het unieke gedrag van spider dragline zijde in vergelijking met controlevezels zoals Bombyx mori zijde, Kevlar-vezel en mensenhaar. De wetenschappers ontwierpen de experimenten om de stapsgewijze persoonlijke reactie van dragline-zijde op verhoogde luchtvochtigheid te onthullen. Ze voerden atomistische simulaties uit van de tweecomponenteneiwitten MaSp1 en MaSp2 om het mechanisme van structureel twistgedrag op het niveau van het molecuul te begrijpen. Vervolgens stelden ze een mogelijke relatie voor tussen de waargenomen twistvervorming die wordt veroorzaakt door vocht en de moleculaire structuur van dragline-zijde.

Liu et al. gebruikte dragline zijde van Nephila pilipes, Nephila eduli en Argiope versicolor spinnensoorten door een eerdere methode voor het verzamelen van zijdemonsters met succes te repliceren. Ze gebruikten een apparaat op basis van beeldverwerking om de door vochtigheid aangedreven torsiebeweging van de dunne vezels te bestuderen. In de proefopstelling is de wetenschappers gebruikten een torsieslinger gemaakt van een enkele vezel ingesloten in een vochtigheidskast en registreerden de beweging van de slinger met behulp van een videocamera terwijl de relatieve vochtigheid (RH) werd verhoogd of verlaagd. Ze ontwierpen twee verschillende protocollen om de reactie van spider dragline zijde op de veranderende vochtigheid te begrijpen; één protocol verhoogde de RV stapsgewijs om hoge waarden voor een lange periode te behouden. Bij de tweede methode ze veranderden de RV cyclisch van 40 naar 100 procent en keerden vijf keer terug naar 40 procent.

Met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), de wetenschappers karakteriseerden eerst de morfologie en structuur van spinnenzijde. Ze voerden screeningstesten uit op drie controlevezels; B. mori zijde, mensenhaar en Kevlar-vezel. De experimenten onthulden de torsiereacties van de representatieve vezels op omgevingsvochtigheid. Vervolgens observeerden ze door vochtigheid veroorzaakte cyclische samentrekkingen / relaxaties van dragline-zijde van verschillende spinsoorten om torsie-aansturing te begrijpen die wordt aangedreven door vochtigheid in dragline-zijde. Na de testen, het oppervlak van de draglinezijde werd ruwer dan in de beginfase. De spider dragline zijde van N. pilipes bereikte een torsievervorming van ongeveer 255 ⁰ /mm in één richting, een waarde die groter is dan die gegenereerd door kunstmatige spieren van koolstofnanobuisjes (250 ⁰ /mm) aangedreven door elektriciteit. De waarde was ook 1000 x groter dan die gerapporteerd voor andere actuatoren op basis van een vormgeheugenlegering en geleidende polymeren met het vermogen tot twistvervorming. Voor de A. versicolor dragline zijde, de torsie-aansturing begon bij 70 procent RV, deze waarde was lager dan die van N. pilipes dragline zijde maar nog steeds vergelijkbaar met koolstof nanobuis spieren.

Liu et al. vergeleek vervolgens de resultaten van het tweede protocol van cyclische vochtigheidsveranderingen waarin de spin dragline zijde een torsiereactie vertoonde die gevoelig was voor vochtigheid, het verschaffen van een methode om twistvervorming te beheersen. Naarmate het aantal RV-cycli toenam, de draaisnelheid en hoekversnelling van de draglinezijde nam af, wat aangeeft dat de torsievervorming een staat van verzadiging bereikte. De wetenschappers noteerden dat alle zijde na elke test met ongeveer 5 tot 10 procent werd uitgerekt.

Omdat door vocht veroorzaakte twist een uniek kenmerk is van spider dragline zijde, de wetenschappers onderzochten de moleculaire structuur en de morfologie van het materiaal om het onderliggende mechanisme van dit gedrag te onthullen. Ze analyseerden ook de specifieke secundaire structuren en hiërarchische structurele organisatie van het molecuul. Liu et al. toonde aan dat de aanwezigheid van proline in het MaSp2-eiwit een meer uitgesproken unidirectionele draaiing op de schaal van het enkele molecuul veroorzaakte. De wetenschappers gingen er daarom van uit dat de gestreepte lineaire proline-ringoriëntatie het molecuul mogelijk in een gedraaid patroon heeft gedwongen. Met behulp van moleculaire simulatieprotocollen op eiwitniveau, ze verklaarden het waargenomen glasovergangsgedrag van spinrag bij hoge RV.

Op deze manier, Liu et al. toonde aan dat spider dragline zijde een enorme twist kan genereren (tot 255 ⁰ /mm voor N. pilipes en 127 ⁰ /mm voor A. versicolor spider dragline zijde) onder 70 procent RV. De wetenschappers toonden aan dat de torsiebeweging van het materiaal eenvoudig kon worden geregeld door het niveau van de RH af te stemmen. Het waargenomen vermogen dat werd opgewekt in dragline-zijde was niet passief, maar een actieve toestandsverandering als reactie op de drijvende kracht van vochtigheid. De door vocht veroorzaakte draaiing zorgde ervoor dat de dragline-zijde als een torsie-actuator werkte. Deze onderzoeksresultaten zullen worden toegepast bij de ontwikkeling van door vochtigheid aangedreven zachte robots, nieuwe sensoren voor nauwkeurige vochtigheid, slimme textiel of groene energie apparaten.

© 2019 Wetenschap X Netwerk