26 Сентября 2017

Шелк паука, усиленный материалами на основе графена.





Исследователи из Графенского флагштока продемонстрировали, что материалы на основе графена могут использоваться для повышения свойств шелка паука. Шелк, произведенный естественным образом пауками, включающий графеновые и углеродные нанотрубки (свернутые графеновые листы), введенные в их среду, имел улучшенные механические свойства, в три раза превышающие прочность и в десять раз превышающую вязкость немодифицированных.


Искусственно модифицированные биологические материалы - это расширяющаяся область исследований. Естественные материалы могут обладать свойствами, которые не могут быть достигнуты в лабораторных материалах, а вдохновение от природы является эффективным инструментом исследования

Чтобы улучшить шелк паука, исследователи подготовили растворы графеновых и углеродных нанотрубок (УНТ), которые были распылены в оболочке, в которой хранились пауки. После того, как пауки глотали графен и дисперсии УНТ из окружающей среды, шелк был собран из пауков и проверены на содержание графена / CNT и механические свойства.

Шелк демонстрировал улучшенные механические свойства по сравнению с контрольным шелком, собранный у одних и тех же пауков, со значительным увеличением прочности, ударной вязкости и эластичности биокомпозитных шелковых нитей. Самые сильные шелковые нити имели прочность на разрыв до 5,4 ГПа, более чем в 3 раза большую, чем немодифицированные, а также десятикратное увеличение модуля вязкости до 2,1 ГПа.


Это исследование открывает новые возможности для адаптации свойств биологических материалов для улучшения их свойств и использования в новых отраслях. Например, эти искусственно модифицированные ткани могут найти применение в высокоэффективных или биоразлагаемых текстильных изделиях, таких как парашюты или медицинских повязках.

«Люди широко использовали шелкопрядилки в течение тысяч лет, но в последнее время исследования сосредоточены на шелке, так как он обладает многообещающими механическими свойствами. Он относится к лучшим волокнам из фторопласта с точки зрения прочности на разрыв, предельной деформации и особенно прочности, даже по сравнению с синтетическими волокнами, такими как кевлар », - сказала Никола Пугно из Университета Тренто.

«Мы уже знаем, что в белковых матрицах и твердых тканях насекомых есть биоминералы, которые придают им высокую прочность и твердость в челюстях и зубах, поэтому наше исследование посмотрело, можно ли улучшить свойства шелка-паука «путем искусственного включения различных наноматериалов в биологических белковых структурах шелка», - сказал Пугно.

«Это самая высокая вязкость волокна, о которой сообщалось на сегодняшний день, и прочность, сравнимую с прочностью самых сильных углеродных волокон», - сказал Пугно. «Это еще ранние дни, но наши результаты являются доказательством концепции, которая открывает путь к использованию естественного эффективного процесса прядения пауков для производства армированных бионных шелковых волокон, тем самым улучшая один из самых перспективных прочных материалов».

Взаимодействие между графеном, родственными материалами и биоматериалами является ключевым для расширения их возможного будущего. Эта работа может помочь нам разработать новые композиты с улучшенными свойствами, вдохновляясь природой.