Hedvábí skromného pavouka má některé docela působivé vlastnosti. Je to jeden z nejodolnějších materiálů v přírodě, silnější než ocel a tvrdší než Kevlar. Může být několikrát prodloužena, než se zlomí. Z těchto důvodů je replikace hedvábného pavouka v laboratoři po desetiletí trochu posedlostí mezi vědci v oblasti materiálů.
Související obsah
- Zuby hlemýžďů bije hedvábí pavouka jako nejsilnější materiál přírody
- Mohl by pavouk Silk zastavit jedoucí vlak?
Nyní vědci z University of Cambridge vytvořili nový materiál, který napodobuje sílu, roztažnost a schopnost absorbovat energii pavoučí hedvábí. Tento materiál nabízí možnost vylepšení výrobků od cyklistických přileb až po padáky, neprůstřelné vesty až po křídla letadel. Možná jeho nejpůsobivější vlastnost? Je to 98 procent vody.
"Pavouci jsou zajímavé modely, protože jsou schopni vyrobit tato vynikající hedvábná vlákna při pokojové teplotě pomocí vody jako rozpouštědla, " říká Darshil Shah, inženýr v Cambridgeově centru pro inovace přírodních materiálů. "Tento proces pavouci se vyvinuli po stovky milionů let, ale zatím jsme nebyli schopni kopírovat."
Vlákna vyrobená v laboratoři jsou vytvořena z materiálu zvaného hydrogel, což je 98% vody a 2% oxidu křemičitého a celulózy, přičemž poslední dvě vlákna jsou držena pohromadě pomocí cucurbiturilů, což jsou molekuly, které slouží jako „pouta“. z hydrogelu. Asi po 30 sekundách se voda vypaří a zanechá za sebou jen silnou a pružnou nit.
Vlákna jsou extrémně silná - i když ne tak silná jako nejsilnější pavoučí hedvábí - a podstatně je lze vyrábět při pokojové teplotě bez chemických rozpouštědel. To znamená, že pokud mohou být vyráběny v měřítku, mají výhodu oproti jiným syntetickým vláknům, jako je nylon, které vyžadují pro spřádání extrémně vysoké teploty, čímž se textilní výroba stává jedním z nejšpinavějších odvětví na světě. Umělé pavoučí hedvábí je také zcela biologicky rozložitelné. A protože je vyroben z běžných, snadno přístupných materiálů - zejména z vody, siliky a celulózy -, má potenciál být cenově dostupný.
Protože materiál může absorbovat tolik energie, mohl by být potenciálně použit jako ochranná tkanina.
"Pavouci potřebují tuto absorpční kapacitu, protože když pták nebo moucha zasáhne jejich web, musí to být schopno absorbovat, jinak se to rozbije, " říká Shah. "Takže věci jako šrapnel odolný nebo jiné ochranné vojenské oblečení, to by byla vzrušující aplikace."
Další potenciální aplikace zahrnují plachtovinu, padák, horkovzdušný balón a přilby na kole nebo skateboardu. Materiál je biokompatibilní, což znamená, že by mohl být použit uvnitř lidského těla pro věci jako stehy.
Vlákna mohou být také modifikována mnoha zajímavými způsoby, říká Shah. Nahrazení celulózy různými polymery by mohlo změnit hedvábí na úplně jiný materiál. Základní metoda by mohla být replikována pro výrobu verzí mnoha tkanin, které nejsou nutné pro chemická rozpouštědla.
"Je to obecný způsob, jak vyrobit všechna vlákna, vyrobit jakoukoli formu [umělého] vlákna zelenou, " říká Shah.
Shah a jeho tým nejsou zdaleka jediní vědci, kteří by pracovali na vytváření umělého hedvábí pavouka. Na rozdíl od bource morušového, které lze chovat pro své hedvábí, jsou pavouci kanibaly, kteří by netolerovali blízké ubikace nezbytné pro chov, takže obrátit se do laboratoře je jediný způsob, jak získat značné množství materiálu. Každých několik let přináší titulky o nových cestách v tomto procesu. Německý tým modifikoval bakterie E-coli tak, aby produkoval molekuly hedvábného pavouka. Vědci z Utah State University chovali geneticky modifikované „pavoučí kozy“, aby v jejich mléce produkovali hedvábné proteiny. Americká armáda testuje „dračí hedvábí“ vyrobené pomocí modifikovaných bource morušového pro použití v neprůstřelných vestách. Začátkem tohoto roku vědci z Karolinska Institute ve Švédsku publikovali dokument o nové metodě využití bakterií k produkci bílkovin hedvábí pavouku potenciálně udržitelným a škálovatelným způsobem. A letos na jaře debutoval Bolt Threads na kalifornském uvedení na trh na hedvábných kravatách pavouka na festivalu SXSW. Jejich produkt se vyrábí kvasinkovým fermentačním procesem, který produkuje hedvábné proteiny, které pak procházejí vytlačovacím procesem, aby se staly vlákny. Je to dost slibné, že jsme vytvořili partnerství s výrobcem v přírodě Patagonia.
Jak však ukazuje příběh Wired 2015, „doposud každá skupina, která se pokouší vyrobit dostatek věcí, které by ji přinesly na masový trh, od vědců po obří korporace, do značné míry selhala.“
To je výzva, kterou Shah a jeho tým právě teď čelí.
"V současné době vyrábíme několik desítek miligramů těchto materiálů a potom z nich stahujeme vlákna, " říká. "Ale chceme to zkusit v mnohem větším měřítku."
Za tímto účelem tým pracuje na robotickém zařízení, aby rychleji a ve větším měřítku táhla a spřádala vlákna než dříve. Měli nějaký úspěch, říká Shah, a pokračují v procesu.
"Jsme stále v raných fázích výzkumu, " říká.
Zjištění týmu byla nedávno zveřejněna v časopise Sborník Národní akademie věd .
