Шёлк оказался прочнее кевлара и устойчивее некоторых углепластиков. Теперь из него делают пуленепробиваемые жилеты
NewsMakerУченые превратили натуральные волокна в сверхпрочный материал без растворителей и синтетических добавок.
Шелк обычно ассоциируется с тонкой тканью, но команда из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Мичиганского университета превратила натуральные шелковые волокна в твердый материал, который по прочности и ударной стойкости приближается к передовым композитам. Ученые не растворяли волокна и не добавляли синтетические компоненты, а сохранили природную структуру шелка и заставили волокна сцепиться между собой под действием тепла и давления.
Обычные методы переработки шелка часто начинаются с разрушения волокон до отдельных белков фиброина. После такой обработки материал можно формовать заново, но значительная часть исходной прочности теряется. Новый подход устроен проще: волокна выравнивают, нагревают и прессуют, после чего соседние нити срастаются в цельную плотную структуру.
«При обычной переработке природные волокна разбирают на отдельные белки шелкового фиброина, а затем собирают в новые формы, поэтому мы теряем большую часть собственной прочности исходных волокон», — объяснила Чуньмэй Ли, научный сотрудник инженерной школы Университета Тафтса. По словам Ли, новый метод не требует растворять шелк: волокна достаточно выровнять и спрессовать при нужных условиях.
В качестве исходного материала исследователи взяли коммерческие волокна из коконов тутового шелкопряда, которые применяются в текстильной промышленности. Сначала ученые удалили серицин, липкое покрытие вокруг волокон, мягким раствором карбоната натрия. Затем очищенные волокна уложили в одном направлении и обработали в горячем прессе.
При нагреве более подвижные участки белковой структуры размягчаются и связывают соседние волокна, а кристаллические области, отвечающие за прочность и гибкость, в значительной степени сохраняются. Профессор инженерии Университета Тафтса Дэвид Каплан сравнил шелк с природным композитом: часть белковых цепей остается аморфной и подвижной, а другая часть складывается в листовые структуры, которые формируют кристаллические участки.
Исследователи нашли рабочий диапазон обработки от 257 до 419 градусов Фаренгейта, то есть примерно от 125 до 215 градусов Цельсия. Давление составляло от 1 900 до 9 800 атмосфер. Слишком мягкий режим давал менее прочный материал, а чрезмерный нагрев делал шелк хрупким.
Под микроскопом новый материал напоминает древесину: выровненные пучки волокон соединены между собой так, чтобы нагрузка распределялась по всей структуре. Такая иерархическая организация помогает материалу сочетать высокую прочность, вязкость разрушения и устойчивость к повреждениям. Авторы работы утверждают, что по растяжимой вязкости материал превосходит кость и древесину, приближается к кевлару и показывает более высокую стойкость к баллистическому удару, чем некоторые композиты на основе углеродного волокна.
Отдельно команда проверила, подходит ли спрессованный шелк для медицинских задач. В испытаниях на животных материал вызвал лишь слабую иммунную реакцию, которая со временем снижалась. Ученые также смогли менять скорость разложения материала, подбирая условия обработки. Менее плотные версии постепенно пропускали клетки внутрь структуры, а более плотные дольше сохраняли форму и сопротивлялись разрушению.
Ли считает, что такой шелк можно будет подстраивать под конкретную медицинскую задачу. Потенциальные применения включают ортопедические импланты, пластины, винты и фиксаторы для переломов, где важны прочность, совместимость с тканями и предсказуемое поведение внутри организма.
У материала нашлось и неожиданное свойство за пределами медицины. Специалисты Мичиганского университета обнаружили, что спрессованный шелк способен поляризовать терагерцовое излучение, которое применяют в сканерах безопасности, медицинской визуализации и системах химического анализа. По мнению исследователей, такое свойство может пригодиться и для будущих сетей 6G, где терагерцовый диапазон рассматривают как один из способов передавать данные быстрее, чем в современных сетях 5G.
Работа опубликована в журнале Nature Sustainability.
Шелк обычно ассоциируется с тонкой тканью, но команда из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Мичиганского университета превратила натуральные шелковые волокна в твердый материал, который по прочности и ударной стойкости приближается к передовым композитам. Ученые не растворяли волокна и не добавляли синтетические компоненты, а сохранили природную структуру шелка и заставили волокна сцепиться между собой под действием тепла и давления.
Обычные методы переработки шелка часто начинаются с разрушения волокон до отдельных белков фиброина. После такой обработки материал можно формовать заново, но значительная часть исходной прочности теряется. Новый подход устроен проще: волокна выравнивают, нагревают и прессуют, после чего соседние нити срастаются в цельную плотную структуру.
«При обычной переработке природные волокна разбирают на отдельные белки шелкового фиброина, а затем собирают в новые формы, поэтому мы теряем большую часть собственной прочности исходных волокон», — объяснила Чуньмэй Ли, научный сотрудник инженерной школы Университета Тафтса. По словам Ли, новый метод не требует растворять шелк: волокна достаточно выровнять и спрессовать при нужных условиях.
В качестве исходного материала исследователи взяли коммерческие волокна из коконов тутового шелкопряда, которые применяются в текстильной промышленности. Сначала ученые удалили серицин, липкое покрытие вокруг волокон, мягким раствором карбоната натрия. Затем очищенные волокна уложили в одном направлении и обработали в горячем прессе.
При нагреве более подвижные участки белковой структуры размягчаются и связывают соседние волокна, а кристаллические области, отвечающие за прочность и гибкость, в значительной степени сохраняются. Профессор инженерии Университета Тафтса Дэвид Каплан сравнил шелк с природным композитом: часть белковых цепей остается аморфной и подвижной, а другая часть складывается в листовые структуры, которые формируют кристаллические участки.
Исследователи нашли рабочий диапазон обработки от 257 до 419 градусов Фаренгейта, то есть примерно от 125 до 215 градусов Цельсия. Давление составляло от 1 900 до 9 800 атмосфер. Слишком мягкий режим давал менее прочный материал, а чрезмерный нагрев делал шелк хрупким.
Под микроскопом новый материал напоминает древесину: выровненные пучки волокон соединены между собой так, чтобы нагрузка распределялась по всей структуре. Такая иерархическая организация помогает материалу сочетать высокую прочность, вязкость разрушения и устойчивость к повреждениям. Авторы работы утверждают, что по растяжимой вязкости материал превосходит кость и древесину, приближается к кевлару и показывает более высокую стойкость к баллистическому удару, чем некоторые композиты на основе углеродного волокна.
Отдельно команда проверила, подходит ли спрессованный шелк для медицинских задач. В испытаниях на животных материал вызвал лишь слабую иммунную реакцию, которая со временем снижалась. Ученые также смогли менять скорость разложения материала, подбирая условия обработки. Менее плотные версии постепенно пропускали клетки внутрь структуры, а более плотные дольше сохраняли форму и сопротивлялись разрушению.
Ли считает, что такой шелк можно будет подстраивать под конкретную медицинскую задачу. Потенциальные применения включают ортопедические импланты, пластины, винты и фиксаторы для переломов, где важны прочность, совместимость с тканями и предсказуемое поведение внутри организма.
У материала нашлось и неожиданное свойство за пределами медицины. Специалисты Мичиганского университета обнаружили, что спрессованный шелк способен поляризовать терагерцовое излучение, которое применяют в сканерах безопасности, медицинской визуализации и системах химического анализа. По мнению исследователей, такое свойство может пригодиться и для будущих сетей 6G, где терагерцовый диапазон рассматривают как один из способов передавать данные быстрее, чем в современных сетях 5G.
Работа опубликована в журнале Nature Sustainability.