Завдяки інноваційній роботі дослідників з Університету Тафтса технологія веб-перекидання, натхненна Людиною-павуком, стала реальністю. У цьому чудовому прогресі використовуються матеріали на основі шовку для прострілювання рідини через тонку голку, де вона миттєво твердне в міцну липку нитку. Струна здатна прилипати до поверхонь і піднімати предмети з дивовижною міцністю і точністю.
Чудеса технології веб-слінгінгу
Технологія стропування павутини передбачає створення липких волокон, отриманих із коконів шовкопряда. Кокони, знайдені в Silklab Університету Тафтса, обробляються в розчині, поки вони не розпадуться на фіброїн – основні білки шовку. Після екструдування через тонкі голки розчин фіброїну шовку перетворюється на потік. Додайте правильні інгредієнти, і цей струмінь стане струною, щойно він потрапляє просто неба.
Природне диво шовку
Природа завжди була головним джерелом натхнення для створення та використання шовкових волокон. Деякі істоти, від павуків і мурах до метеликів і жуків, виробляють шовк на певному етапі свого життєвого циклу.
Silklab в Університеті Тафтса був натхненний цим дивом природи, що призвело до низки видатних подій. Дослідники створили міцні адгезиви, які працюють під водою, датчики для друку, їстівні покриття для збільшення терміну служби продукції та екологічні методи виробництва мікрочіпів.
Натхнення приходить несподівано
Незважаючи на прогрес із матеріалами на основі шовку, дослідники зіткнулися з труднощами в наслідуванні майстерності павуків, точно контролюючи жорсткість, еластичність і адгезійні властивості прядених ниток. Однак одкровення прийшло через випадкову подію.
«Я працював над проектом із виготовлення надзвичайно міцних клеїв із фіброїну шовку, і коли я чистив свій скляний посуд ацетоном, я помітив, що на дні скла утворюється павутинний матеріал», — сказав Марко Ло Престі, асистент професора пучки. Це випадкове відкриття сприяло подоланню кількох інженерних перешкод у відтворенні павукових ниток.
Магія хімії
Дослідники зрозуміли, що розчини фіброїну шовку можуть утворювати напівтвердий гідрогель протягом кількох годин під впливом органічних розчинників, таких як етанол або ацетон. Додавання дофаміну, елемента, який використовується для виготовлення клеїв, дозволило процесу затвердіння відбуватися майже миттєво.
Композиція, що містить дофамін і його полімери, схожа на хімію, яку вусоногі молюски використовують для створення волокон, які міцно прилипають до поверхні. Щоб скрутити ці волокна в повітрі, дослідники додали дофамін у розчин фіброїну шовку. У присутності дофаміну перехід від рідкого стану до твердого прискорювався шляхом відведення води від шовку.
При пропусканні через коаксіальну голку тонка цівка розчину шовку огортається шаром ацетону, викликаючи затвердіння.
Реальна технологія веб-слінгінгу
Ацетон випаровується в повітрі, залишаючи волокно, прикріплене до будь-якого предмета, з яким він контактує. Дослідники доповнили розчин фіброїну дофаміну шовку хітозаном, похідним екзоскелетів комах, і боратним буфером, що значно підвищило адгезію та міцність волокон на розрив.
Пристрій може стріляти волокнами, здатними піднімати об’єкти, вага яких у 80 разів перевищує їх власну вагу, а діаметр волокон можна змінювати залежно від отвору голки. Дослідники продемонстрували це, акуратно піднявши різні об’єкти, в тому числі кокон, сталевий болт, лабораторну трубу, що плаває у воді, скальпель, частково закопаний у пісок, і дерев’яний брусок – усе з відстані близько 12 сантиметрів.
Матеріал, натхненний супергероєм
«Якщо ви подивитеся на природу, то побачите, що павуки не можуть стріляти своєю павутиною. Зазвичай вони прядуть шовк зі своєї залози, фізично контактують з поверхнею та малюють лінії, щоб побудувати свою мережу», — сказав Ло Престі.
«Ми демонструємо спосіб стріляти в волокно з пристрою, а потім приставати до об’єкта та підхоплювати його на відстані. Замість того, щоб подавати цю роботу як матеріал, натхненний біологією, це справді матеріал, натхненний супергероями».
Хоча натуральний павутинний шовк все ще помітно міцніший за штучні волокна, постійні інновації обіцяють подолати цю прогалину, відкриваючи низку можливих технологічних застосувань.
«Як науковці та інженери, ми перебуваємо на межі між уявою та практикою. Ось де відбувається вся магія», – сказав професор Фіоренцо Оменетто, директор Silklab.
«У цьому випадку ми хотіли сконструювати наш шовковий матеріал так, щоб він поводився так, як його спочатку задумала природа і як це уявляли автори коміксів». Дослідження опубліковано в журналі Advanced Functional Materials .