Naukowcy odtwarzają technologię chusty pająka Spider-Mana przy użyciu płynnego jedwabiu

Nie martw się, Spider-Manie, to nie doktor Octopus odkrył sekret strzelanek internetowych, ale badacze z Tufts University.

Pracując nad osobnym projektem z użyciem bardzo mocnych klejów, na Uniwersytecie Tufts SilkLab Zespół odkrył, że jedwab uzyskany z kokonów ćmy jedwabnej można przekształcić w nadający się do kopiowania lepki roztwór białka, który działa zaskakująco podobnie do słynnych lepkich sieci Spider-Mana.

To unikalne rozwiązanie można uwolnić z igły, a następnie natychmiast twardnieć w lepkie, przypominające pajęczynę włókna, które mogą unieść przedmioty przekraczające 80-krotność ich ciężaru. Ich badania zostały opublikowane w Zaawansowane materiały funkcjonalne.

Reprodukcja jedwabiu Super Spider-Man

Aby wytworzyć te jedwabne nici przypominające superbohatera, badacze gotowali i prali kokony ćmy jedwabnej w różnych roztworach, aż do całkowitego odizolowania i ekstrakcji włókien jedwabiu. Fibroina jedwabiu to włókniste białko, które jest głównym składnikiem jedwabiu ćmy jedwabnej.

Poprzednie badania wykazały, że połączenie roztworów włókien jedwabiu z dopaminą może prowadzić do: Bardzo mocne kleje na bazie biologicznej. Osobno wiadomo również, że włókna jedwabiu zaczną tworzyć półstały hydrożel w ciągu kilku godzin po zmieszaniu z rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak etanol lub aceton.

Naukowcy z Tufts University odkryli, że dodanie dopaminy do mieszanki włókien jedwabiu powoduje niemal natychmiastowe uruchomienie procesu utwardzania, gdy dopamina odciąga wodę z jedwabiu. Powoduje to powstawanie lepkich włókien jedwabiu o dużej wytrzymałości na rozciąganie.

Odkryli również, że włókna te można wirować w powietrzu, przebijając je przez igłę. Zaraz po opuszczeniu igły cienką strużkę roztworu jedwabiu pokrywa się warstwą acetonu, co inicjuje proces utwardzania. Jednak gdy prąd płynie w powietrzu, aceton odparowuje, odsłaniając lepką powierzchnię włókien jedwabiu, które mogą przyklejać się do przedmiotów.

„Jeśli spojrzeć na naturę, pająki nie potrafią wystrzelić swojej sieci. Zwykle przędzą jedwab ze swoich gruczołów, fizycznie dotykają powierzchni i rysują linie, aby zbudować swoją sieć. Powiedział Marco Lo Prestiadiunkt w dziedzinie inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Tufts.

„Demonstrujemy sposób obrazowania włókien za pomocą urządzenia, a następnie trzymania ich i rejestrowania z daleka. Zamiast przedstawiać tę pracę jako materiał inspirowany życiem, jest to w rzeczywistości materiał inspirowany superbohaterami”.

Dodając chitozan pochodzący z egzoszkieletów owadów oraz roztwór buforu boranowego do roztworu jedwabiu, grupie badawczej udało się poprawić wytrzymałość włókien na rozciąganie nawet 200-krotnie i ich przyczepność około 18-krotnie.

W rezultacie powstają cienkie włókna – o średnicy mniej więcej grubości ludzkiego włosa, w zależności od dziurki w igle – które mogą uchwycić przedmioty ważące 80 razy więcej niż masa ciała. Zespół zademonstrował swoją elastyczność, podnosząc kokon, stalowy gwóźdź, rurkę laboratoryjną unoszącą się na wodzie, skalpel częściowo zakopany w piasku i kawałek drewna.

Przypadkowa penetracja

W naturze wszystkie rodzaje pająków, motyli, ćmy, chrząszczy, a nawet pszczół produkują jedwab w pewnym momencie swojego życia, aby zaspokoić jakąś potrzebę – czy to zbudować sieć lub gniazdo, czy też wyprodukować kokon.

the SilkLab Czerpiąc inspirację z rozprzestrzeniania się włókien jedwabiu w przyrodzie, badacze są pionierami w zakresie wykorzystania włókien jedwabiu do produkcji mocnych podwodnych klejów, lepkich czujników nadających się do nadruku, jadalnych powłok do produktów łatwo psujących się, nowych materiałów zbierających światło do ogniw słonecznych i nie tylko.

Co zaskakujące, do tego najnowszego odkrycia doszło przez przypadek podczas osobnego projektu dotyczącego klejów.

„Pracowałem nad projektem mającym na celu wytworzenie bardzo mocnych klejów z włókien jedwabiu i podczas czyszczenia wyrobów szklanych acetonem zauważyłem, że na dnie szkła tworzy się substancja przypominająca siateczkę” – powiedział Lo Presti.

Chociaż naukowcy opracowali już wcześniej kilka klejów inspirowanych jedwabiem zwierzęcym lub na bazie jedwabiu syntetycznego, jest to pierwsza udana próba opracowania materiału, z którego można natychmiast przędzić włókna klejące – twierdzą naukowcy.

„Jako naukowcy i inżynierowie przekraczamy granice między wyobraźnią a praktyką. To tutaj dzieje się cała magia”. Powiedział Fiorenza OminitoFrank C. Dobell, profesor inżynierii na Uniwersytecie Tufts i dyrektor Silk Lab. „Możemy czerpać inspirację z natury. Możemy czerpać inspirację z komiksów i science fiction. W tym przypadku chcieliśmy poddać inżynierii wstecznej nasz jedwabny materiał, aby zachowywał się tak, jak pierwotnie go zaprojektowała natura i jak to sobie wyobrażali autorzy komiksu”.

odniesienie: Lo Presti M, Portoghesi M, Farinola GM, Ominito FG. Dynamiczne włókna klejące do wychwytywania obiektów na odległość. Funkcja adv mater. 2024:2414219. doi: 10.1002/adfm.202414219

Artykuł ten jest parafrazą komunikatu prasowego wydanego przez Uniwersytet Tuftsa. Materiał został zredagowany pod względem długości i treści.