Σε αντίθεση με προηγούμενες προσπάθειες, η τελευταία τεχνητή εκδοχή μεταξιού διατηρεί όλα τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά του φυσικού μεταξιού, αυξάνοντας παράλληλα κατακόρυφα την ανθεκτικότητα και την ευελιξία του.
Το μετάξι της αράχνης αναφέρεται ότι είναι πέντε φορές πιο ισχυρό από το ατσάλι. Με μερικές γενετικές τροποποιήσεις, το μετάξι του μεταξοσκώληκα μπορεί να γίνει ακόμα πιο ανθεκτικό.
Και τώρα, μια ομάδα επιστημόνων δηλώνει ότι βρήκε έναν τρόπο να κλώθει ίνες μεταξιού που αγγίζουν τα επίπεδα αντοχής του Κέβλαρ—κυριολεκτικά χωρίς τη χρήση συνθετικών ινών.
Το αξιοσημείωτο είναι ότι η νέα προσέγγιση διατηρεί τη φυσική δομή των ινών του μεταξιού και βασίζεται κυρίως σε προσεκτικά ελεγχόμενες θερμοκρασίες και πιέσεις για την ενίσχυση της ανθεκτικότητάς του.
Σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Sustainability, η θερμότητα και η πίεση συγχώνευσαν τις ίνες μεταξιού σε ένα πυκνό, διαφανές υλικό με αντοχή σε εφελκυσμό μεγαλύτερη από αυτή του οστού και σχεδόν εξίσου υψηλή με τις ίνες Κέβλαρ. Σε σύγκριση με τα τεχνητά υλικά, η ίνα αυτή διασπάται πιο εύκολα, καθιστώντας την ένα βιώσιμο συστατικό για φιλικές προς το περιβάλλον τεχνολογίες, όπως σημειώνεται στην εργασία.
«Επιπλέον, αυτό το “συγχωνευμένο μετάξι” είναι επίσης διαφανές στο ορατό φάσμα και διαθέτει οπτικές ιδιότητες που είναι σημαντικές για τις ασύρματες τεχνολογίες και τις τεχνολογίες απεικόνισης επόμενης γενιάς», δήλωσε στο Gizmodo η Chunmei Li, συντάκτρια της μελέτης και βιοϊατρικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο Tufts.
Ακολουθώντας την παράδοση του μεταξιού
Ιστορικά, οι άνθρωποι άρχισαν να εξάγουν μετάξι από τους μεταξοσκώληκες ήδη από πριν 8.500 χρόνια. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, η μοναδική χημική δομή των ινών του μεταξιού έχει προκαλέσει μια «αναζωπύρωση του ενδιαφέροντος» για το υλικό αυτό, με σκοπό την ανάπτυξη υλικών υψηλής τεχνολογίας στη βιοϊατρική μηχανική, την παραγωγή ενέργειας, τη συντήρηση τροφίμων, τους αισθητήρες και άλλους τομείς, σύμφωνα με την εργασία.
«Το αρχικό ερώτημα προέκυψε από ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στην επεξεργασία των φυσικών βιοπολυμερών», δήλωσε η Li. Το φυσικό μετάξι διαθέτει «εντυπωσιακές μηχανικές και λειτουργικές ιδιότητες», πρόσθεσε, αλλά η επεξεργασία του απαιτούσε μια «αργή και έντονα χημική» διαδικασία η οποία «μπορεί να καταστρέψει την ιεραρχική δομή που δίνει στο μετάξι πολλές από τις χρήσιμες ιδιότητές του».
Ανακαλύπτοντας τη «ζώνη του μεταξιού»
Μια βασική βελτίωση που επιφέρει η νέα προσέγγιση είναι ότι δεν απαιτεί υπερβολική επεξεργασία με βαριά χημικά. Οι ερευνητές «απλώς ευθυγραμμίζουν τις ίνες και εφαρμόζουν θερμότητα και πίεση, και αυτές συγχωνεύονται σε ένα μόνο βήμα», εξήγησε η Li σε δήλωσή της από το Πανεπιστήμιο Tufts.
Για τις ανάγκες της μελέτης, η Li και οι συνεργάτες της επεξεργάστηκαν αρχικά ίνες μεταξιού του εμπορίου με ανθρακικό νάτριο για να αφαιρέσουν το κολλώδες περίβλημα που παράγουν οι μεταξοσκώληκες. «Ο στόχος δεν ήταν μόνο να δούμε αν οι ίνες μπορούσαν να συγχωνευθούν απευθείας, αλλά και να κατανοήσουμε τι συνέβαινε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας—πώς ενώνονταν οι ίνες, πώς άλλαζε η δομή και γιατί το τελικό υλικό είχε τόσο καλή απόδοση», δήλωσε η Li.
Το μυστικό ήταν η εύρεση της βέλτιστης ζώνης για τη θερμή συμπίεση του μεταξιού. Αν οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις ήταν πολύ χαμηλές, το μετάξι γινόταν υπερβολικά χαλαρό. Αν οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις ήταν πολύ υψηλές, το μετάξι γινόταν εξαιρετικά εύθραυστο ή καταστρεφόταν εντελώς.
Η ομάδα κατέληξε σε ένα εύρος μεταξύ 125 και 215 βαθμών Κελσίου και μεταξύ 1.900 και 9.800 ατμοσφαιρών πίεσης. Υπό αυτές τις συνθήκες, το αξιοσημείωτο είναι ότι οι ίνες του μεταξιού δεσμεύτηκαν και συγχωνεύτηκαν μεταξύ τους, παίρνοντας μια νέα μορφή που κατά κάποιο τρόπο έμοιαζε με ξύλο ως προς τη δομή της.
Οι ισχυροί δεσμοί μεταξύ των ινών κατανέμουν κάθε πίεση που ασκείται στο υλικό, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός στιβαρού, στερεού υλικού που διατηρεί τις καλύτερες ιδιότητες του φυσικού μεταξιού, σύμφωνα με τη δήλωση.
Η επόμενη μεγάλη ανακάλυψη;
Η ομάδα προβλέπει ότι το νέο υλικό θα φανεί χρήσιμο σε ένα τεράστιο εύρος εφαρμογών. Οι ερευνητές πραγματοποίησαν επίσης βαλλιστικές δοκιμές και επιβεβαίωσαν ότι το υλικό ήταν «εξίσου ανθεκτικό στη διάτρηση με τα πολυμερή που είναι ενισχυμένα με ανθρακονήματα» και τα οποία χρησιμοποιούνται σε αεροπλάνα και αυτοκίνητα, σύμφωνα με ανακοίνωση του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν για τα ευρήματα.
Μάλιστα, εμφύτευσαν μέρος του υλικού σε ποντίκια και διαπίστωσαν ότι διασπάται αργά, γεγονός που σημαίνει ότι θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμο για προσωρινά ιατρικά εμφυτεύματα. Κοιτάζοντας προς το μέλλον, η ομάδα επιθυμεί αυτό το «μαγικό μετάξι» να γίνει πιο εύκολα κλιμακώσιμο για μαζική παραγωγή και να υποστηρίζει πολύπλοκα σχήματα, και αυτή τη στιγμή εργάζεται σε επόμενες έρευνες προς αυτόν τον στόχο.
Η ιδέα είναι να προσελκύσουν βιομηχανικούς και εμπορικούς συνεργάτες που είναι πρόθυμοι να δοκιμάσουν την ενσωμάτωση του συγχωνευμένου μεταξιού σε αισθητήρες και άλλες τεχνολογίες, πρόσθεσαν οι ερευνητές.
«Τα βιώσιμα υλικά δεν είναι απαραίτητο να είναι αδύναμα ή να αποτελούν απλώς συμβολικά υποκατάστατα των πλαστικών», δήλωσε η Li στο Gizmodo. «Ορισμένα φυσικά υλικά έχουν σχεδιαστεί με εξαιρετική μηχανική από την ίδια τη φύση, και το μετάξι είναι ένα από αυτά. Η βιωσιμότητα μπορεί να προέλθει από έναν καλύτερο σχεδιασμό, μια καλύτερη επεξεργασία και μια βαθύτερη κατανόηση των υλικών που υπάρχουν ήδη στη φύση».
