Hun eerste ontdekking leek een contradictie, omdat de meeste andere polymeervezels bros worden in de kou. Maar na vele jaren aan het probleem te hebben gewerkt, de groep onderzoekers heeft ontdekt dat de cryogene taaiheid van zijde is gebaseerd op de fibrillen op nanoschaal. Door de submicroscopische ordening en hiërarchie is een zijde bestand tegen temperaturen tot -200 C. En mogelijk zelfs lager, wat deze klassieke natuurlijke luxevezels ideaal zou maken voor toepassingen in de diepten van de kille buitenruimte.

Het interdisciplinaire team onderzocht het gedrag en de functie van verschillende dierlijke zijde, afgekoeld tot een temperatuur van vloeibare stikstof van -196 C. De vezels omvatten spinzijde, maar het onderzoek richtte zich op de dikkere en veel meer commerciële vezels van de wilde zijderups Antheraea pernyi .

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Materialen Chemie Grenzen , het team kon niet alleen 'dat' laten zien, maar ook 'hoe' zijde zijn taaiheid vergroot onder omstandigheden waar de meeste materialen erg broos zouden worden. Inderdaad, zijde lijkt in tegenspraak met het fundamentele begrip van de polymeerwetenschap door onder echt koude omstandigheden geen kwaliteit te verliezen maar te winnen door zowel sterker als rekbaarder te worden. Deze studie onderzoekt het 'hoe' en verklaart het 'waarom'. Het blijkt dat de onderliggende processen afhankelijk zijn van de vele fibrillen van nanoformaat die de kern van een zijdevezel vormen.

In lijn met de traditionele polymeertheorie, de studie stelt dat de individuele fibrillen inderdaad stijver worden naarmate ze kouder worden. De nieuwigheid en het belang van de studie ligt in de conclusie dat deze verstijving leidt tot verhoogde wrijving tussen de fribrils. Deze wrijving verhoogt op zijn beurt de afleiding van scheurenergie terwijl het ook weerstand biedt aan fibrilslip. Veranderende temperatuur zou ook de aantrekkingskracht tussen individuele zijde-eiwitmoleculen moduleren en op hun beurt de kerneigenschappen van elke fibril beïnvloeden, die is opgebouwd uit vele duizenden moleculen.

belangrijk, het onderzoek is in staat om het hardingsproces op zowel micron- als nanoschaalniveau te beschrijven. Het team concludeert dat elke scheur die door het materiaal scheurt, wordt omgeleid telkens wanneer het een nanovezel raakt, waardoor het gedwongen wordt steeds meer energie te verliezen in de vele omwegen die het moet maken. En dus breekt een zijdevezel pas als de honderden of duizenden nanofibrillen eerst uitgerekt zijn en dan wegglijden en dan zijn ze allemaal stuk voor stuk geknapt.

De ontdekking verlegt grenzen omdat het een materiaal bestudeerde in het conceptueel moeilijke en technologisch uitdagende gebied dat niet alleen de micron- en nanoschaal omspant, maar ook moet worden bestudeerd bij temperaturen ver onder elke diepvriezer. De grootte van de bestudeerde schalen varieert van de microngrootte van de vezel tot de submicrongrootte van een filamentbundel tot de nanoschaal van de fibrillen en last but not least tot het niveau van supramoleculaire structuren en afzonderlijke moleculen. Tegen de achtergrond van geavanceerde wetenschap en futuristische toepassingen is het de moeite waard eraan te denken dat zijde niet alleen 100% een biologische vezel is, maar ook een landbouwproduct met millennia aan R&D.

Het lijkt erop dat deze studie verstrekkende implicaties heeft door een breed spectrum van nieuwe toepassingen voor zijde te suggereren, variërend van nieuwe materialen voor gebruik in de poolgebieden van de aarde tot nieuwe composieten voor lichtgewicht vliegtuigen en vliegers die in de strato- en mesosfeer vliegen tot, misschien, zelfs gigantische webben gesponnen door robotspinnen om astro-junk in de ruimte te vangen.

Professor Fritz Vollrath, van de afdeling Zoölogie van de Universiteit van Oxford, zei:'We voorzien dat deze studie zal leiden tot het ontwerp en de fabricage van nieuwe families van taaie structurele filamenten en composieten waarbij zowel natuurlijke als zijde-geïnspireerde filamenten worden gebruikt voor toepassingen in extreem koude omstandigheden zoals in de ruimte.'

Prof Zhengzhong Shao, van de afdeling Macromoleculaire Wetenschappen van de Fudan-universiteit van Shanghai, zei:'We concluderen dat de uitzonderlijke mechanische taaiheid van zijdevezel bij cryogene temperaturen voortkomt uit de sterk uitgelijnde en georiënteerde, relatief onafhankelijke en uitbreidbare nanofibrillaire morfologie.'

Dr. Juan Guan van de Beihang Universiteit, in Beijing, zei:'Deze studie biedt nieuwe inzichten in ons begrip van de structuur-eigenschapsverhoudingen van natuurlijke hoogwaardige materialen, waarvan we hopen dat ze zullen leiden tot het vervaardigen van door de mens gemaakte polymeren en composieten voor toepassingen bij lage temperaturen en hoge impact.'

En Dr. Chris Holland van Sheffield University, leider van een Europees onderzoeksconsortium over roman, duurzame biovezels gebaseerd op inzichten in het spinnen van natuurlijke zijde zei:'Natuurlijke zijde blijft zichzelf bewijzen als gouden standaardmaterialen voor vezelproductie. Het werk hier identificeert dat het niet alleen de chemie is, maar hoe zijde wordt gesponnen en bijgevolg gestructureerd, dat is het geheim van hun succes.'

De volgende stappen van het onderzoek zullen de verbazingwekkende eigenschappen verder testen. Een spin-out bedrijf, Spintex Ltd, van de Universiteit van Oxford, gedeeltelijk gefinancierd door een EU H2020-subsidie, onderzoekt het spinnen van zijde-eiwitten op de manier van de spin en richt zich op het kopiëren van de submicronstructuren van gebundelde fibrillen.

Zijde

• Natuurlijke zijde is ecologisch duurzaam doordat het dier het spin-extrudeert uit waterige eiwitsmelten bij omgevingstemperaturen en lage druk.
• Veel zijde is biocompatibel, waardoor ze uitstekende materialen zijn voor gebruik in medische apparaten. Zijde is licht en heeft de neiging erg taai te zijn, wat duidt op gebruik in lichtgewicht toepassingen waar veel energie door het materiaal moet worden opgenomen.
• Alle zijde is biologisch wegwerpbaar, volledig bestaande uit natuurlijke aminozuurbouwstenen die gemakkelijk integreren in de natuurlijke cyclus van verval en wederopbouw.
• Tenslotte, er zit een schat aan informatie verborgen in zijde over het vouwen van eiwitten en over de manier waarop de natuur uitzonderlijke polymeerstructuren maakt.