Самый прочный известный в природе материал вдохновляет на создание «зеленой» альтернативы кевлару

May 14, 2023

Природа способна создавать материалы невероятной прочности, и паучий шелк является одним из самых знаменитых примеров. В 2015 году группа ученых сделала революционное открытие в этой области, продемонстрировав, что зубы цепких моллюсков, называемых блюдечками, на самом деле обладают самой высокой прочностью на разрыв среди всех биологических материалов. Черпая вдохновение из этих кремнистых клыков, команда создала композитный биоматериал чрезвычайной прочности, который может стать более устойчивой альтернативой высокоэффективным материалам, таким как кевлар.

Блюдечки — это водные улитки с раковинами в форме шляпы, которые очень хорошо цепляются за камни вдоль береговой линии. Частью прибрежного образа жизни является скребение зубами по неровной поверхности в поисках водорослей для кормления, и в этом кроются секреты беспрецедентной прочности этих существ на растяжение.

В 2015 году исследователи из Портсмутского университета использовали атомно-силовую микроскопию для изучения материала зубов моллюска и анализа его на атомном уровне. Работа показала, что зубы блюдца имеют предел прочности на разрыв от 3 до 6,5 гигапаскалей (ГПа). Для сравнения: шелк драглайнов-пауков имеет предел прочности на разрыв около 1,3 ГПа, а сталь — около 1,65 ГПа. Ученые полагают, что причиной невероятной прочности зуба блюдца на разрыв является густая сеть хитиновых волокон с разбросанными по всей поверхности мелкими кристаллами железосодержащего геотита.

Теперь команда создала систему, которая позволяет формировать подобные структуры в лаборатории. Все начинается с покрытия стекла, покрытого сывороткой, и нанесения сверху хитина и оксида железа. Через две недели они самоорганизуются в орган, ответственный за формирование зубов моллюска, называемый радулой. Используя комбинацию изолированных клеток радулы, образцов тканей, минерализованного хитина и метода, называемого электропрядением, ученые смогли вырастить ленты биомиметических зубов блюдечка шириной в полсантиметра (0,2 дюйма).

«Я потратил шесть месяцев на настройку этого процесса», — сказал доктор Робин Рамни, ведущий автор исследования. «Я прошел через все виды перестановок, которые только мог придумать, чтобы выяснить, что может понадобиться клеткам и как они будут расти. Это сильно отличается от выращивания бактерий или раковых клеток, которые обычно растут в лабораторных условиях, поэтому нам пришлось работать с нуля. что бы сработало».

Новый композитный биоматериал с чрезвычайной прочностью может занять важное место в сфере синтетических материалов. Если команде удастся успешно расширить этот процесс, она сможет предложить более экологичную альтернативу таким материалам, как кевлар и пластик, производство которых требует ресурсов и которые не так легко переработать.

«Полностью синтетические композиты, такие как кевлар, широко используются, но производственные процессы могут быть токсичными, а переработка материалов сложна и дорога», — объяснил Рамни. «Здесь у нас есть материал, который потенциально гораздо более устойчив с точки зрения того, как он получен и изготовлен, и в конце своего срока службы может подвергаться биологическому разложению».

В настоящее время исследователи обращают свое внимание на оптимизацию процесса и расширение его для производства синтетических зубов блюдца в масштабах, необходимых для массового производства.

«Наш следующий шаг — найти другие способы образования железа, поэтому мы изучаем секрецию клеток блюдечка, чтобы лучше понять это», — сказал Рамни. «Если это сработает действительно хорошо, то у нас уже есть данные генов этого органа, поэтому мы можем извлечь интересующие гены и, надеюсь, поместить их в бактерии или дрожжи, чтобы вырастить их в больших масштабах. Очевидно, что в океанах наблюдается пластиковый кризис». прямо сейчас, и я думаю, что это хорошая симметрия: мы можем научиться у морских существ тому, как лучше защитить их, заменив использование пластика биологическим заменителем».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Источник: Портсмутский университет.