Zoals iedereen die ooit zijn haar heeft gestijld weet, water is de vijand. Haar dat nauwgezet is gestrekt door hitte, zal terugveren in krullen zodra het in aanraking komt met water. Waarom? Omdat haar vormgeheugen heeft. Door de materiaaleigenschappen kan het van vorm veranderen als reactie op bepaalde stimuli en terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm als reactie op andere.

Wat als andere materialen, vooral textiel, had dit type vormgeheugen? Stel je een T-shirt voor met verkoelende ventilatieopeningen die opengingen bij blootstelling aan vocht en dichtgingen als ze droog waren. of one-size-fits-all kleding die uitrekt of krimpt naar de afmetingen van een persoon.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een biocompatibel materiaal ontwikkeld dat in elke vorm kan worden 3D-geprint en voorgeprogrammeerd met omkeerbaar vormgeheugen. Het materiaal is gemaakt van keratine, een vezelig eiwit dat in het haar wordt aangetroffen, spijkers en schelpen. De onderzoekers haalden de keratine uit overgebleven Agora-wol die wordt gebruikt bij de textielproductie.

Het onderzoek kan bijdragen aan de bredere inspanningen om verspilling in de mode-industrie te verminderen, een van de grootste vervuilers ter wereld. Nu al, ontwerpers zoals Stella McCarthy herdenken hoe de industrie materialen gebruikt, inclusief wol.

“Met dit project we hebben laten zien dat we niet alleen wol kunnen recyclen, maar dat we ook dingen uit de gerecyclede wol kunnen bouwen die nog nooit eerder zijn bedacht, " zei Kit Parker, de Tarr Family Professor of Bioengineering and Applied Physics bij SEAS en senior auteur van het artikel. "De implicaties voor de duurzaamheid van natuurlijke hulpbronnen zijn duidelijk. Met gerecycled keratine-eiwit, we kunnen net zoveel, of meer, dan wat er tot nu toe is gedaan door dieren te scheren en, daarbij, de milieu-impact van de textiel- en mode-industrie te verminderen."

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur materialen.

De sleutel tot de vormveranderende vermogens van keratine is de hiërarchische structuur, zei Luca Cera, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel.

Een enkele keten van keratine is gerangschikt in een veerachtige structuur die bekend staat als alfa-helix. Twee van deze kettingen draaien samen om een ​​structuur te vormen die bekend staat als een opgerolde spoel. Veel van deze opgerolde spoelen worden geassembleerd tot protofilamenten en uiteindelijk tot grote vezels.

"De organisatie van de alfa-helix en de verbindende chemische bindingen geven het materiaal zowel sterkte als vormgeheugen, ' zei Cera.

Wanneer een vezel wordt uitgerekt of blootgesteld aan een bepaalde stimulus, de veerachtige structuren ontrollen zich, en de obligaties herschikken om stabiele beta-sheets te vormen. De vezel blijft in die positie totdat deze wordt getriggerd om terug te spoelen in zijn oorspronkelijke vorm.

Om dit proces te demonstreren, de onderzoekers 3D-geprinte keratinevellen in verschillende vormen. Ze programmeerden de permanente vorm van het materiaal - de vorm waarnaar het altijd zal terugkeren wanneer het wordt geactiveerd - met behulp van een oplossing van waterstofperoxide en mononatriumfosfaat.

Nadat het geheugen is ingesteld, de plaat kan opnieuw worden geprogrammeerd en in nieuwe vormen worden gegoten.

Bijvoorbeeld, één keratinevel werd gevouwen tot een complexe origami-ster als zijn permanente vorm. Nadat het geheugen is ingesteld, de onderzoekers dompelden de ster onder in water, waar het zich ontvouwde en kneedbaar werd. Vanaf daar, ze rolden het laken in een strakke buis. Eenmaal droog, het laken werd opgesloten als een volledig stabiele en functionele buis. Om het proces om te keren, ze zetten de buis terug in het water, waar het zich ontrolde en terugvouwde tot een origami-ster.

"Dit proces in twee stappen van het 3D-printen van het materiaal en het vervolgens instellen van de permanente vormen maakt de fabricage mogelijk van echt complexe vormen met structurele kenmerken tot op micronniveau, " aldus Cera. "Dit maakt het materiaal geschikt voor een breed scala aan toepassingen, van textiel tot tissue engineering."

"Of je dit soort vezels nu gebruikt om beha's te maken waarvan de cupmaat en vorm elke dag kunnen worden aangepast, of je probeert activerend textiel te maken voor medische therapieën, de mogelijkheden van Luca's werk zijn breed en spannend, " zei Parker. "We blijven textiel opnieuw uitvinden door biologische moleculen te gebruiken als technische substraten zoals ze nog nooit eerder zijn gebruikt."