Tämä tutkimus, jonka on toteuttanut Northwesternin yliopiston tiimi, yhdistää tietokonesimulaatiot ja laboratoriokokeet ymmärtääkseen, miten venytys muuttaa silkkiin liittyvää molekyylirakennetta. Tulokset voisivat mahdollistaa innovaatioita bioinspiroitujen materiaalien suunnittelussa, aina lääketieteellisistä ompeleista luotisuojaliiveihin.
Venytyksen rooli
Kun hämähäkki kutoo verkkoaan, se venyttää silkkiä takajaloillaan. Tämä liike, joka ei ole mitenkään vähäpätöinen, kohdistaa proteiiniketjut ja lisää vetysidosten määrää niiden välillä. Nämä muutokset tekevät silkistä kestävämpää ja joustavampaa, mikä on olennaista saaliin pyydystämisessä tai säänkestävyyden varmistamisessa.Numerosimulaatioiden avulla tutkijat ovat havainneet tämän ilmiön nanomittakaavassa. He ovat havainneet, että venytys muuttaa epäjärjestäytyneitä proteiinikimpaleita yhdisteeksi, joka vahvistaa kuitua. Ennen venytystä proteiinit muodostavat tiiviitä pallomaisia rakenteita, mutta venytysprosessi kohdistaa ja järjestää ne päällekkäisiin kerroksiin, luoden molekyylirakenteen, joka on optimoitu kestävyyden kannalta.
Laboratoriokokeet ovat vahvistaneet nämä ennusteet. Venytettäessä keinotekoisia silkki-kuituja tiimi on jäljitellyt luonnollisen silkki-kuidun mekaanisia ominaisuuksia, vahvistaen tämän prosessin merkitystä. Testit ovat osoittaneet, että kuitu, joka venytetään kuusi kertaa alkuperäisestä pituudestaan, muuttuu merkittävästi kestävämmäksi, todistaen, että venytys on keskeinen vipu materiaaleiden bioinspiroitujen ominaisuuksien säätämisessä.
Lupaavat sovellukset
Hämähäkin silkki, joka on vahvempaa kuin teräs ja kestävämpää kuin Kevlar, on kiinnostanut tutkijoita pitkään. Kuitenkin sen suurimittakaavainen kasvatus on haastavaa, mikä on saanut tutkijat kehittämään synteettisiä vaihtoehtoja. Nämä materiaalit voisivat korvata öljypohjaiset muovit, tarjoten sekä tehokkaan että ekologisen ratkaisun.Tiimin työ voisi mahdollistaa materiaalien suunnittelun, joiden ominaisuuksia voidaan säätää. Esimerkiksi venytystä säätelemällä voitaisiin tuottaa kuituja, jotka sopivat erityisiin käyttötarkoituksiin, kuten biohajoaviin ompeleisiin tai erittäin kestäviin tekstiileihin. Nämä innovaatiot voisivat vaikuttaa aloihin kuten lääketiede, jossa silkkiä voitaisiin käyttää ompelulangoissa tai liima-geeleissä, tai teollisuuteen, kevyissä ja kestävässä suojavarusteissa.
Nämä edistysaskeleet voisivat myös vähentää riippuvuuttamme öljypohjaisista muoveista, tarjoten ekologisen ja tehokkaan vaihtoehdon. Toistamalla hämähäkin silkkiin liittyviä luonnollisia mekanismeja tutkijat toivovat luovansa synteettisiä materiaaleja, joiden suorituskyky on samankaltainen, avaten tien innovatiivisille sovelluksille eri aloilla, muodista avaruusteknologiaan.
Lisätietoja: Miten hämähäkit tuottavat silkkiään?
Hämähäkit valmistavat silkkiään erikoistuneissa rauhasissa, joissa liukoiset proteiinit muuttuvat kiinteiksi kuiduiksi. Tätä prosessia, jota kutsutaan kehräämiseksi, käynnistetään, kun silkki venytetään suuttimista ulos tullessaan. Nämä rauhaset tuottavat erilaisia silkkejä, joista jokainen on mukautettu tiettyihin käyttötarkoituksiin, kuten verkkojen rakentamiseen, saaliin pyydystämiseen tai munien suojaamiseen.Silkki alkaa nestemäisessä muodossa, mutta kulkiessaan suuttimien läpi se kiinteytyy. Hämähäkin aiheuttama venytys kohdistaa proteiinit, mikä vahvistaa lopullista rakennetta. Tämä muutos on olennaista luodakseen kuituja, jotka ovat sekä kestäviä että joustavia, kykenemättömiä kestämään mekaanisia rasituksia. Hämähäkit säätävät venytyksen jännitystä ja nopeutta tuottaakseen lankoihin erilaisia ominaisuuksia, jotka vastaavat niiden tarpeita.
Tämä luonnollinen prosessi, jota on optimoitu miljoonien vuosien evoluution myötä, inspiroi tutkijoita kehittämään synteettisiä tuotantomenetelmiä. Ymmärtämällä, miten hämähäkit hallitsevat kuitujensa muodostumista, tutkijat toivovat voivansa toistaa näitä mekanismeja laboratoriossa, avaten tien innovatiivisille ja tehokkaille materiaaleille.