2 miesiące temu

Jedwabniki karmione grafenem produkują super wytrzymały materiał

Jedwab, jedno z najsilniejszych włókien naturalnie występujących w przyrodzie, został dodatkowo udoskonalony przez naukowców.

Jedwabniki. Zdjęcie SarDiuS/Shutterstock

Jedwabniki. Zdjęcie SarDiuS/Shutterstock

Karmiąc jedwabniki grafenem i pojedynczymi nanorurkami węglowymi wytworzono bardziej trwały i wytrzymały jedwab. Materiał może być stosowany jako tkanina ochronna, biodegradowalne implanty medyczne i przyjazne dla środowiska przewodniki w elektronice.

Jedwabniki tworzą nici z roztworu białka jedwabiu produkowanego w ich gruczołach ślinowych. Naukowcy wcześniej starali się wzmocnić materiał dodając barwniki, środki przeciwbakteryjne i polimery przewodzące do gotowego produktu. Larwy poddawano też terapii odpowiednimi substancjami.

W najprostszej wersji eksperymentu zwyczajnie je nimi karmiono. 

Stosowanie środków chemicznych na gotowy materiał wymagałoby rozpuszczenia nanomateriałów w toksycznych rozpuszczalnikach, dlatego metoda karmienia jest o wiele bardziej przyjazna dla środowiska.

Aby uzyskać wzmocniony jedwab, chiński zespół pod kierunkiem Yingying Zhang z Tsinghua University, karmił owady liśćmi opryskanymi wodnym roztworem, zawierającym 0,2% grafenu oraz nanorurek. Następnie zbierano powstały materiał jak w przy standardowej produkcji.

W porównaniu do zwykłego jedwabiu, wzmocniony węglowo materiał jest dwukrotnie trwalszy i może wytrzymać o 50% większe naprężenie przed rozdarciem.

Wysokiej rozdzielczości zdjęć transmisyjnej mikroskopii elektronowej z włókien jedwabnych po karbonizacji pokazują, że włókna niemodyfikowane mają amorficzną strukturę grafitu (u góry), natomiast włókna modyfikowane pojedynczych ściankach nanorurek węglowych (w środku) i grafenu (na dole) mają bardziej uporządkowanych struktur.

Wysokiej rozdzielczości zdjęcia wykonane mikroskopem elektronowym przedstawiające włókna jedwabne po karbonizacji pokazują, że włókna niemodyfikowane mają amorficzną strukturę grafitu (u góry), natomiast włókna modyfikowane mają bardziej uporządkowaną strukturę – nanorurek węglowych (w środku) i grafenu (na dole). Źródło: Nano Lett

Zespół ogrzewał włókna do temperatury 1050° C w celu karbonizacji protein jedwabiu, by następnie badać ich przewodność i strukturę. Okazało się, że zmodyfikowany materiał przewodzi prąd, w przeciwieństwie do zwykłego jedwabiu.

Spektroskopia Ramana i obrazowanie mikroskopem elektronowym wykazały, że włókna wzmocnionego jedwabiu miały bardziej uporządkowaną strukturę krystaliczną z powodu wprowadzonych nanomateriałów.

Sukces pozostaje jednak do pewnego stopnia tajemnicą dla naukowców.

Jedną z wątpliwości jest dokładne określenie jak jedwabniki włączają nanomateriały do wyprodukowanego materiału. Kolejne pytanie to jaki procent nanomateriałów zjedzonych przez robaki czyni jedwab mocniejszy, a ile jest wydalane lub inaczej metabolizowane.

„Materiały węglowe nie są widoczne w przekrojach jedwabnych nici, może dlatego, że zawartość Nano cząstek jest w nich niska” dywaguje Zhang.

Metoda może stanowić „łatwy sposób na wytwarzanie wysoko wytrzymałych włókien jedwabnych na masową skalę” mówi Yaopeng Zhang z Donghua University, który podawał nanocząstki tlenku tytanu jedwabnikom, by stworzyć super silne, odporne na uszkodzenia ultrafioletowe jedwabie.

„Przewodność elektryczna wzmocnionego jedwabiu węglowego może uczynić go odpowiednim materiałem do czujników wbudowanych w inteligentne tekstylia do odczytu sygnałów nerwowych” kontynuuje naukowiec.

Okazuje się, że człowiek jest w stanie nie tylko współpracować z naturą, ale też ulepszać jej największe osiągnięcia.