Spinnen en zijderupsen zijn meesters in de materiaalkunde, maar wetenschappers zijn eindelijk aan het inhalen. Zijde is een van de zwaarste materialen die we kennen, sterker en minder broos, pond voor pond, dan staal. Nu hebben wetenschappers van MIT enkele van hun diepste geheimen ontrafeld in onderzoek dat de weg zou kunnen leiden naar het creëren van synthetische materialen die dupliceren, of zelfs overschrijden, de buitengewone eigenschappen van natuurlijke zijde.

Markus Bühler, de Esther en Harold E. Edgerton universitair hoofddocent aan de afdeling Civiele en Milieutechniek van het MIT, en zijn team bestuderen fundamentele eigenschappen van materialen en hoe die materialen falen. Met zijde, dat betekende het gebruik van computermodellen die niet alleen de structuren van de moleculen kunnen simuleren, maar ook precies hoe ze bewegen en op elkaar inwerken. De modellen hielpen de onderzoekers bij het bepalen van de moleculaire en atomaire mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de opmerkelijke mechanische eigenschappen van het materiaal.

De combinatie van sterkte en taaiheid van zijde - het vermogen om te buigen of uit te rekken zonder te breken - is het resultaat van een ongebruikelijke opstelling van atomaire bindingen die van nature erg zwak zijn, Buehler en zijn team gevonden. Promovendus Sinan Keten, postdoctoraal medewerker Zhiping Xu en student Britni Ihle zijn co-auteurs van een paper over het onderzoek dat op 14 maart in het tijdschrift zal worden gepubliceerd Natuurmaterialen .

Zijde is gemaakt van eiwitten, waaronder enkele die dun vormen, vlakke kristallen genaamd beta-sheets. Deze platen zijn met elkaar verbonden via waterstofbruggen - een van de zwakste soorten chemische bindingen, in tegenstelling tot, bijvoorbeeld, de veel sterkere covalente bindingen in de meeste organische moleculen. Het team van Buehler voerde een reeks computersimulaties op atomair niveau uit die de moleculaire faalmechanismen in zijde onderzochten. "Kleine maar stijve kristallen toonden het vermogen om hun verbroken bindingen snel opnieuw te vormen, en als resultaat faalt 'sierlijk' - dat wil zeggen, geleidelijk in plaats van plotseling, ’ legt afstudeerder Keten uit.

"In de meeste technische materialen" - keramiek, bijvoorbeeld - "hoge sterkte komt met broosheid, " zegt Buehler. "Als ductiliteit eenmaal is geïntroduceerd, materialen worden zwak." Maar geen zijde, dat een hoge sterkte heeft ondanks dat het is opgebouwd uit inherent zwakke bouwstenen. Het blijkt dat deze bouwstenen - de kleine beta-sheetkristallen, evenals de filamenten die ze verbinden - zijn gerangschikt in een structuur die lijkt op een hoge stapel pannenkoeken, maar met de kristalstructuren in elke pannenkoek afwisselend in hun oriëntatie. Deze specifieke geometrie van kleine zijden nanokristallen zorgt ervoor dat waterstofbruggen samenwerken, het versterken van aangrenzende kettingen tegen externe krachten, wat leidt tot de uitstekende rekbaarheid en sterkte van spinrag.

Een verrassende bevinding van het nieuwe werk is dat er een kritische afhankelijkheid is van de eigenschappen van zijde van de exacte grootte van deze beta-sheetkristallen in de vezels. Wanneer de kristalgrootte ongeveer drie nanometer is, het materiaal heeft zijn ultrasterke en taaie eigenschappen. Maar laat die kristallen net iets verder groeien tot vijf nanometer, en het materiaal wordt zwak en broos.

Buehler zegt dat het werk implicaties heeft die veel verder gaan dan alleen zijde begrijpen. Hij merkt op dat de bevindingen kunnen worden toegepast op een bredere klasse van biologische materialen, zoals hout of plantaardige vezels, en bio-geïnspireerde materialen, zoals nieuwe vezels, garens en stoffen of weefselvervangende materialen, om een ​​verscheidenheid aan bruikbare materialen te produceren uit eenvoudige, alledaagse elementen. Bijvoorbeeld, hij en zijn team kijken naar de mogelijkheid om materialen te synthetiseren die een vergelijkbare structuur hebben als zijde, maar gebruikmakend van moleculen die inherent sterker zijn, zoals koolstof nanobuisjes.

De langetermijneffecten van dit onderzoek, Bühler zegt, zal de ontwikkeling zijn van een nieuw materiaalontwerpparadigma dat de creatie van zeer functionele materialen mogelijk maakt uit overvloedige, goedkope materialen. Dit zou een afwijking zijn van de huidige aanpak, waar sterke banden, dure bestanddelen, en energie-intensieve verwerking (bij hoge temperaturen) worden gebruikt om hoogwaardige materialen te verkrijgen.

Peter Fratzl, professor in de afdeling biomaterialen van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam, Duitsland, die niet bij dit werk betrokken was, zegt dat "de kracht van dit team hun baanbrekende theoretische benadering op meerdere schalen" is voor het analyseren van natuurlijke materialen. Hij voegt eraan toe dat dit "het eerste bewijs is van theoretische modellering van hoe waterstofbruggen, hoe zwak ze ook zijn, kan een hoge sterkte en taaiheid bieden als het op een geschikte manier in het materiaal wordt aangebracht."

Hoogleraar biomaterialen Thomas Scheibel van de Universiteit van Bayreuth, Duitsland, die ook niet bij dit werk betrokken was, zegt dat Buehlers werk van het "hoogste kaliber is, " en zal veel verder onderzoek stimuleren. De aanpak van het MIT-team, hij zegt, "zal een basis bieden voor een beter begrip van bepaalde biologische fenomenen die tot nu toe niet zijn begrepen."