Nöyrän hämähäkin silkillä on melko vaikuttavia ominaisuuksia. Se on yksi lujimmista luonnossa löydetyistä materiaaleista, vahvempi kuin teräs ja sitkeämpi kuin Kevlar. Sitä voidaan venyttää useita kertoja sen pituudesta ennen kuin se rikkoutuu. Näistä syistä hämähäkin silkin toistaminen laboratoriossa on ollut pakkomielle materiaalitieteilijöiden keskuudessa vuosikymmenien ajan.
Asiaan liittyvä sisältö
- Etanan hampaat lyövät hämähäkin silkkiä luonnon vahvimpana materiaalina
- Voisiko Spider Silk pysäyttää liikkuvan junan?
Nyt Cambridgen yliopiston tutkijat ovat luoneet uuden materiaalin, joka jäljittelee hämähäkin silkin lujuutta, venyvyyttä ja energian imeytymiskykyä. Tämä materiaali tarjoaa mahdollisuuden parantaa pyöräilykypärien, laskuvarjojen, luodinkestävien takkien ja lentokoneiden siipien tuotteita. Ehkä sen vaikuttavin omaisuus? Se on 98 prosenttia vettä.
"Hämähäkit ovat mielenkiintoisia malleja, koska ne kykenevät tuottamaan nämä loistavat silkkikuitut huoneenlämmössä käyttämällä vettä liuottimena", sanoo Darshil Shah, Cambridgen luonnollisten materiaalien innovaatiokeskuksen insinööri. "Tämä prosessihämähäkkejä on kehittynyt satojen miljoonien vuosien aikana, mutta emme ole pystyneet kopioimaan toistaiseksi."
Laboratoriossa valmistetut kuidut luodaan hydrogeeliksi kutsutusta materiaalista, joka on 98 prosenttia vettä ja 2 prosenttia piidioksidia ja selluloosaa. Viimeksi mainitut kaksi pidetään yhdessä kurkkuturilien kanssa, molekyyleinä, jotka toimivat ”käsirautoina”. hydrogeelistä. Noin 30 sekunnin kuluttua vesi haihtuu, jättäen taakse vain vahvan, joustavan langan.
Kuidut ovat erittäin vahvoja - tosin ei aivan yhtä vahvoja kuin voimakkaimmat hämähäkkisilkit - ja merkittävästi ne voidaan valmistaa huoneenlämpötilassa ilman kemiallisia liuottimia. Tämä tarkoittaa, että jos niitä voidaan tuottaa mittakaavassa, niillä on etu muihin synteettisiin kuituihin, kuten nyloniin nähden, jotka vaativat kehruuta varten erittäin korkeat lämpötilat, mikä tekee tekstiilituotannosta yhden maailman likaisimmista teollisuuksista. Keinotekoinen hämähäkki-silkki on myös täysin biohajoavaa. Ja koska se on valmistettu yleisistä, helposti saatavilla olevista materiaaleista - pääasiassa vedestä, piidioksidista ja selluloosasta -, sillä on potentiaalia olla kohtuuhintaisia.
Koska materiaali voi absorboida niin paljon energiaa, sitä voidaan mahdollisesti käyttää suojakudoksena.
"Hämähäkit tarvitsevat tuon absorptiokyvyn, koska kun lintu tai perho osuu heidän verkkoonsa, sen on kyettävä absorboimaan se, muuten se menee rikki", Shah sanoo. "Joten asiat kuten shrapnelinkestävät tai muut suojaavat sotilaalliset vaatteet, olisivat mielenkiintoinen sovellus."
Muita mahdollisia sovelluksia ovat purjekangas, laskuvarjokangas, kuumailmapallomateriaali ja pyörä- tai rullalautakypärät. Materiaali on bioyhteensopivaa, mikä tarkoittaa, että sitä voidaan käyttää ihmisen kehossa esimerkiksi pistoihin.
Kuituja voidaan myös muokata monilla mielenkiintoisilla tavoilla, Shah sanoo. Selluloosan korvaaminen erilaisilla polymeereillä voisi muuttaa silkin täysin erilaiseksi materiaaliksi. Perusmenetelmä voitaisiin toistaa tuottaakseen monien kankaiden heikosti kuumuutta, ei kemiallisia liuottimia tarvitsevia versioita.
"Se on yleinen menetelmä kaikkien kuitujen valmistamiseksi, minkä tahansa muodon [keinotekoisten] kuitujen tekemiseksi vihreäksi", Shah sanoo.
Shah ja hänen tiiminsä ovat kaukana ainoista tutkijoista, jotka työskentelevät keinotekoisen hämähäkin silkin luomisessa. Toisin kuin silkkiäistoukot, joita voidaan viljellä silkistään, hämähäkit ovat kanibaaleja, jotka eivät kestä siellä viljelyyn tarvittavia lähellä olevia tiloja, joten laboratorioon kääntyminen on ainoa tapa saada merkittäviä määriä materiaalia. Muutaman vuoden välein otsikoita prosessin uusista askeleista. Saksalainen joukkue on muokannut E-coli-bakteereja hämähäkki-silkkimolekyylien tuottamiseksi. Utahin osavaltion yliopiston tutkijat kasvattivat muuntogeenisiä "hämähäkkivuohi" tuottaakseen silkkiproteiineja maidossaan. Yhdysvaltain armeija testaa modifioitujen silkkiäistoukkien kautta tuotettua "lohikäärme silkkiä" käytettäväksi luodinkestävissä liiveissä. Aiemmin tänä vuonna Ruotsin Karolinska-instituutin tutkijat julkaisivat tutkimuksen uudesta menetelmästä bakteerien käyttämiseen hämähäkki-silkkiproteiinien tuottamiseksi mahdollisesti kestävällä, skaalautuvalla tavalla. Ja tänä keväänä Kaliforniassa toimiva start-up Bolt Threads debytoi biogeneesillä suunnitellut hämähäkkisilkikset SXSW-festivaalilla. Niiden tuote valmistetaan hiivafermentaatioprosessin avulla, joka tuottaa silkkiproteiineja, jotka sitten läpäisevät suulakepuristusprosessin tullakseen kuiduiksi. Se on lupaavaa, että olemme luoneet kumppanuuden ulkoilmavalmistajan Patagonian kanssa.
Mutta kuten vuoden 2015 Wired- tarina huomauttaa, "toistaiseksi jokainen ryhmä, joka on yrittänyt tuottaa tarpeeksi tavaraa viedäkseen sen massamarkkinoille, tutkijoista jättiläisyhtiöihin, on melko epäonnistunut."
Tämä on haaste, jonka Shah ja hänen joukkueensa kohtaavat nyt.
"Tällä hetkellä valmistamme noin muutamia kymmeniä milligrammia näitä materiaaleja ja vedämme niistä sitten kuituja", hän sanoo. "Mutta haluamme yrittää tehdä tämän paljon suuremmassa mittakaavassa."
Tätä varten joukkue työskentelee robottilaitteen avulla kuitujen vetämiseksi ja linkoamiseksi nopeammin ja aiempaa suuremmassa mittakaavassa. Heillä on ollut menestystä, Shah sanoo, ja jatkavat prosessin tutkimista.
"Olemme vielä tutkimuksen alkuvaiheessa", hän sanoo.
Ryhmän havainnot julkaistiin äskettäin lehdessä Proceedings of the National Academy of Sciences .
