Att sätta silke till musik

Pund för pund, spindelsilke är ett av de starkaste och mest motståndskraftiga materialen som finns. Men ny forskning av MIT:s Markus Buehler och andra kan visa vägen till ännu bättre material för en mängd olika applikationer - och ett öra för musik kan vara nyckeln till att skapa dessa syntetiska ämnen.

Detta diagram visar den molekylära strukturen hos en version av konstgjord spindelsilke som bildade starka, väl sammanlänkade fibrer. Musikaliska kompositioner baserade på sådana diagram avslöjar hur versioner av siden skiljer sig åt.

Buehler, professor i civil- och miljöteknik, har slagit sig ihop med en biomedicinsk ingenjör, en materialvetare, en matematiker och en musikprofessor, bland andra, för att ta fram ett nytt tillvägagångssätt för att utveckla biologiskt inspirerade molekyler. Vi försöker närma oss tillverkning av material på ett annat sätt, förklarar Buehler, med utgångspunkt från byggstenarna – i det här fallet proteinmolekylerna som bildar silkes struktur.

Buehlers tidigare forskning fastställde att fibrer med en viss typ av hierarkisk struktur hjälper till att ge siden dess exceptionella egenskaper. Molekyler bildar kristaller eller oordnade aggregat, som i sin tur är sammansatta i särskilda sekvenser, och dessa sekvenser i sig är ordnade på särskilda sätt. För sitt första försök att syntetisera ett nytt material valde teamet att titta på variationer på den grundläggande strukturen.

Detta tillvägagångssätt, som började med detaljerad datormodellering, ledde till några överraskande resultat. Vissa arrangemang fungerade mycket bättre än andra som hade verkat lika lovande. Detta lärde oss att det inte räcker att bara överväga egenskaperna hos proteinmolekylerna, säger Buehler. Det är också nödvändigt att fundera över hur de kan kombineras för att bilda ett välanslutet nätverk i större skala.

Teamet fann att ett potentiellt användbart sätt att tänka på dessa större egenskaper är att översätta dem till musik. De olika nivåerna av sidens struktur, säger Buehler, är analoga med de hierarkiska element som utgör en musikalisk komposition - individuella toner sammansatta till takter, som i sin tur bildar en melodi, och så vidare. Teamet tog hjälp av kompositören John McDonald, en professor i musik vid Tufts, och MIT postdoc David Spivak, en matematiker som specialiserat sig på kategoriteori. Tillsammans, med hjälp av analytiska verktyg härledda från kategoriteori för att beskriva proteinstrukturerna, kom teamet på hur man skulle översätta detaljerna i det konstgjorda silkets struktur till musikaliska kompositioner.

Skillnaderna var ganska tydliga: starka men värdelösa proteinmolekyler översattes till musik som var aggressiv och hård, säger Buehler, medan molekyler som bildade användbara fibrer resulterade i musik som lät mycket mjukare och mer flytande.

Buehler hoppas att musikaliska kompositioner också kan användas för att förutsäga hur bra nya varianter av materialet kan prestera.

Dölj