Spindlar får i sig nanorör och väv sedan silke förstärkt med kol

Spindelsilke är ett av de mer extraordinära materialen som vetenskapen känner till. Proteinfibern, spunnen av spindlar för att göra nät, är starkare än nästan allt som människor kan göra.

De dragline-silkesspindlar som används för att göra en näts yttre kant och ekrar är fantastiska grejer. Det matchar högkvalitativt legerat stål för draghållfasthet men är ungefär en sjättedel så tät. Den är också mycket duktil, ibland kapabel att sträcka sig till fem gånger dess längd.

Denna kombination av styrka och duktilitet gör spindelsilke extremt segt och matchar segheten hos toppmoderna kolfibrer som Kevlar.

Så det säger sig självt att förmågan att göra spindelsilke ännu starkare och tuffare skulle vara en betydande vetenskaplig kupp. Det är därför som arbetet av Nicola Pugno vid universitetet i Trento i Italien och några kompisar är något av en häpnadsväckande.

Dessa killar har hittat ett sätt att införliva kolnanorör och grafen i spindelsilke och öka dess styrka och seghet utöver allt som varit möjligt tidigare. Det resulterande materialet har egenskaper som brotthållfasthet, Youngs modul och seghetsmodul högre än något som någonsin uppmätts.

Teamets tillvägagångssätt är relativt okomplicerat. De började med 15 Pholcidae-spindlar, insamlade från den italienska landsbygden, som de förvarade under kontrollerade förhållanden i sitt labb. De samlade in prover av draglinesilke som producerats av dessa spindlar som referens.

Teamet använde sedan ett snyggt trick för att introducera kolnanorör och grafenflingor i spindelsilket. De sprayade helt enkelt spindlarna med vatten som innehöll nanorören eller flingorna och mätte sedan de mekaniska egenskaperna hos silket som spindlarna producerade.

För varje silkessträng fixerade de fibern mellan två C-formade kartonghållare och placerade den i en apparat som kan mäta belastningen på en fiber med en upplösning på 15 nano-newton och eventuell fiberförskjutning med en upplösning på 0,1 nanometer.

Resultaten ger imponerande läsning. Vi mäter en brotthållfasthet upp till 5,4 GPa, en Youngs modul upp till 47,8 GPa och en seghetsmodul upp till 2,1 GPa, säger Pugno och co. Detta är den högsta seghetsmodulen för en fiber, som överträffar syntetiska polymera högpresterande fibrer (t.ex. Kelvar49) och även de nuvarande tuffaste knutna fibrerna, säger de.

Med andra ord, att ge spindlar vatten som är infunderat med kolnanorör gör att de väver silke starkare än någon känd fiber.

Arbetet väcker några intressanta frågor. Till att börja med, exakt hur spindlarna införlivar kolnanorör och grafenflingor i sitt silke är inte klart. Teamet använder spektroskopiska metoder för att visa att de kolbaserade materialen finns i fibern men inte kan visa exakt hur.

En möjlighet är att siden blir belagd med dessa kolbaserade material efter att det har snurrats. Pugno och co kan inte utesluta detta men säger att det är osannolikt eftersom den resulterande strukturen inte skulle ha den styrka de uppmätt. Sådan extern beläggning på fiberytan förväntas inte nämnvärt bidra till den observerade mekaniska förstärkningen, säger de.

Istället säger teamet att det är mer troligt att spindlarna får i sig vattnet tillsammans med de kolbaserade materialen och att dessa sedan införlivas i fibern när den snurras. Så nanorören och grafenen hamnar i den centrala delen av varje fiber där de kan ha störst inverkan på dess styrka.

Teamet har till och med simulerat den resulterande molekylstrukturen och säger att de mekaniska egenskaperna stämmer väl överens med de experimentella resultaten.

Det finns utmaningar framför oss, förstås. Ingen har upptäckt ett effektivt sätt att skörda spindelsilke, men inte i brist på försök. Så ett viktigt framtida steg kommer att vara utvecklingen av en sådan teknik som kan fungera i industriell skala. Det skulle öppna vägen för utbredda tillämpningar inom allt från vävnadsreparation till plaggdesign.

Det här är inte första gången som forskare har försökt modifiera spindelsilke. Olika grupper har lagt till metalliska element genom att placera silket i lämplig ånga. På så sätt har de ökat silkets styrka och seghet avsevärt, dock aldrig i den utsträckning som Pugno och co har lyckats med.

Det är därför deras arbete är imponerande. Spindelsilkets extraordinära egenskaper är resultatet av 400 miljoner år av evolution. Så en sådan betydande förbättring är helt klart något speciellt.

Och teknikens enkelhet tyder på att ett liknande tillvägagångssätt kan användas på andra organismer. Denna nya förstärkande procedur kan också tillämpas på andra djur och växter, vilket leder till en ny klass av bioniska material, säger de.

Ref: arxiv.org/abs/1504.06751 : Silke förstärkt med grafen eller kolnanorör spunnet av spindlar

Dölj