Міцний та біосумісний. Нова технологія термопресування перетворила шовк на конкурента кевлару та вуглецевого волокна
Міжнародна група дослідників з Університету Тафтса, Імперського коледжу Лондона та Мічиганського університету розробила інноваційний спосіб перетворення натурального шовку на надміцний твердий матеріал.
Унікальність технології полягає в тому, що волокна не розчиняють і не використовують жодних синтетичних добавок. Отриманий композит за своєю міцністю та в’язкістю не поступається сучасним аналогам, залишаючись повністю біосумісним і придатним для використання в медицині.
Традиційні методи обробки зазвичай розщеплюють натуральну сировину на окремі білки фіброїну, через що втрачається значна частина природної міцності. Натомість автори нового проєкту відмовилися від хімічного розчинення. Вони запропонували напряму з'єднувати вирівняні шовкові волокна за допомогою контрольованого тепла та тиску. Такий одноетапний процес дозволяє зберегти більшу частину первісної молекулярної структури шовку.
Як вихідну сировину фахівці використали звичайні комерційні волокна коконів шовкопряда, які застосовують у текстильній промисловості. Спочатку за допомогою слабкого розчину карбонату натрію з волокон видалили серицин — липке природне покриття. Після цього нитки вирівняли та піддали гарячому пресуванню під суворим контролем. Науковці визначили оптимальний діапазон температур для обробки, який становить від 125 °C до 215 °C, та діапазон тиску від 192,5 МПа до 993 МПа (що відповідає еквіваленту 1900−9800 атмосфер). Під час нагрівання аморфні, більш рухливі частини білкової структури розм’якшувалися та надійно скріплювали сусідні волокна, тоді як кристалічні області, що відповідають за гнучкість і міцність, залишалися неушкодженими.
На мікроскопічному рівні готова структура нагадує деревину, де вирівняні пучки волокон міцно зчеплені між собою, що гарантує ефективний розподіл механічного навантаження. За словами розробників, створений сплавлений шовк суттєво перевершив кістку та дерево за міцністю на розтягнення і максимально наблизився до показників кевлару. Ба більше, матеріал продемонстрував вищу балістичну ударостійкість, ніж деякі полімерні композити, армовані вуглецевим волокном.
Дослідники вже провели успішні тестування на тваринах, які підтвердили високий потенціал винаходу в біомедицині. Матеріал викликав лише слабку імунну реакцію, яка з часом зменшувалася. Окрім того, змінюючи умови пресування, можна регулювати швидкість розкладання композиту в організмі: менш щільні варіанти дозволяють клітинам поступово проникати всередину, тоді як щільні форми залишаються стабільними протягом тривалого часу. Це робить матеріал ідеальним для виготовлення ортопедичних імплантатів, зокрема пластин, гвинтів і фіксаторів для кісток.
Додатково вчені виявили здатність сплавленого шовку поляризувати терагерцове випромінювання. Ця властивість є критично важливою для сучасних сканерів у сфері безпеки, медичної візуалізації, а також для розвитку майбутніх технологій зв’язку 6G, які передаватимуть дані в рази швидше за мережі 5G.
Результати цього перспективного дослідження було офіційно опубліковано у престижному науковому журналі Nature Sustainability.
Источник: techno.nv.ua