211service.com
Spinnen nemen nanobuisjes op en weven vervolgens zijde versterkt met koolstof
Spinzijde is een van de meer bijzondere materialen die de wetenschap kent. De eiwitvezel, gesponnen door spinnen om webben te maken, is sterker dan bijna alles wat mensen kunnen maken.
De dragline-zijdespinnen die worden gebruikt om de buitenste rand en spaken van een web te maken, zijn verbazingwekkende dingen. Het komt overeen met hoogwaardig gelegeerd staal voor treksterkte, maar is ongeveer een zesde zo dicht. Het is ook zeer ductiel, soms in staat om uit te rekken tot vijf keer zijn lengte.
Deze combinatie van sterkte en taaiheid maakt spinzijde extreem sterk, passend bij de taaiheid van ultramoderne koolstofvezels zoals Kevlar.
Het spreekt dus voor zich dat het vermogen om spinnenzijde nog sterker en taaier te maken een belangrijke wetenschappelijke coup zou zijn. Dat is de reden waarom het werk van Nicola Pugno aan de Universiteit van Trento in Italië en een paar vrienden een beetje overweldigend is.
Deze jongens hebben een manier gevonden om koolstofnanobuisjes en grafeen in spinnenzijde op te nemen en de sterkte en taaiheid ervan te vergroten boven alles wat eerder mogelijk was. Het resulterende materiaal heeft eigenschappen zoals breuksterkte, Young's modulus en taaiheidsmodulus die hoger zijn dan ooit gemeten.
De aanpak van het team is relatief eenvoudig. Ze begonnen met 15 Pholcidae-spinnen, verzameld op het Italiaanse platteland, die ze onder gecontroleerde omstandigheden in hun laboratorium hielden. Ze verzamelden monsters van dragline-zijde die door deze spinnen werden geproduceerd als referentie.
Het team gebruikte vervolgens een handige truc om koolstofnanobuisjes en grafeenvlokken in de spinzijde te introduceren. Ze besproeiden de spinnen eenvoudig met water dat de nanobuisjes of vlokken bevatte en maten vervolgens de mechanische eigenschappen van de zijde die de spinnen produceerden.
Voor elke streng zijde hebben ze de vezel tussen twee C-vormige kartonnen houders gefixeerd en in een apparaat geplaatst dat de belasting op een vezel kan meten met een resolutie van 15 nano-newton en elke vezelverplaatsing met een resolutie van 0,1 nanometer.
De resultaten zorgen voor indrukwekkende lectuur. We meten een breuksterkte tot 5,4 GPa, een Young's modulus tot 47,8 GPa en een taaiheidsmodulus tot 2,1 GPa, zeggen Pugno en co. Dit is de hoogste taaiheidsmodulus voor een vezel en overtreft synthetische polymere hoogwaardige vezels (bijv. Kelvar49) en zelfs de huidige taaiste geknoopte vezels, zeggen ze.
Met andere woorden, door spinnen water te geven dat doordrenkt is met koolstofnanobuisjes, weven ze zijde sterker dan welke bekende vezel dan ook.
Het werk roept een aantal interessante vragen op. Om te beginnen is het niet duidelijk hoe de spinnen koolstofnanobuisjes en grafeenvlokken precies in hun zijde opnemen. Het team gebruikt spectroscopische methoden om aan te tonen dat de op koolstof gebaseerde materialen in de vezel aanwezig zijn, maar niet precies kunnen aantonen hoe.
Een mogelijkheid is dat de zijde wordt gecoat met deze op koolstof gebaseerde materialen nadat deze is gesponnen. Pugno en co kunnen dit niet uitsluiten, maar zeggen dat het onwaarschijnlijk is omdat de resulterende structuur niet de sterkte zou hebben die ze hebben gemeten. Een dergelijke externe coating op het vezeloppervlak zal naar verwachting niet significant bijdragen aan de waargenomen mechanische versterking, zeggen ze.
In plaats daarvan zegt het team dat het waarschijnlijker is dat de spinnen het water opnemen samen met de op koolstof gebaseerde materialen en dat deze vervolgens in de vezel worden verwerkt terwijl deze wordt gesponnen. Dus de nanobuisjes en grafeen komen in het centrale deel van elke vezel terecht, waar ze de grootste impact kunnen hebben op de sterkte ervan.
Het team heeft zelfs de resulterende moleculaire structuur gesimuleerd en zegt dat de mechanische eigenschappen goed in overeenstemming zijn met de experimentele resultaten.
Er zijn natuurlijk uitdagingen in het verschiet. Niemand heeft een efficiënte manier ontdekt om spinrag te oogsten, hoewel niet door gebrek aan proberen. Een belangrijke toekomstige stap is dus de ontwikkeling van een dergelijke techniek die op industriële schaal kan werken. Dat zou de weg openen naar wijdverbreide toepassingen in alles, van weefselherstel tot het ontwerpen van kleding.
Dit is niet de eerste keer dat onderzoekers hebben geprobeerd spinnenzijde aan te passen. Verschillende groepen hebben metalen elementen toegevoegd door de zijde in de juiste damp te plaatsen. Op deze manier hebben ze de sterkte en taaiheid van de zijde aanzienlijk verhoogd, hoewel nooit in de mate waarin Pugno en co erin geslaagd zijn.
Daarom is hun werk indrukwekkend. De buitengewone eigenschappen van spinrag zijn het resultaat van 400 miljoen jaar evolutie. Zo'n aanzienlijke verbetering is dus duidelijk iets bijzonders.
En de eenvoud van de techniek suggereert dat een vergelijkbare benadering ook op andere organismen zou kunnen worden gebruikt. Deze nieuwe versterkende procedure zou ook kunnen worden toegepast op andere dieren en planten, wat zou leiden tot een nieuwe klasse van bionische materialen, zeggen ze.
Referentie: arxiv.org/abs/1504.06751 : Zijde versterkt met grafeen of koolstof nanobuisjes gesponnen door spinnen