Επιστήμονες μετέτρεψαν το μετάξι σε υπερυλικό με αντοχή Kevlar

Σύνοψη

• Ερευνητές από τα Πανεπιστήμια Tufts, Michigan και το Imperial College London δημιούργησαν ένα υπερυλικό από φυσικό μετάξι μεταξοσκώληκα.
• Η νέα τεχνική δεν απαιτεί τη διάλυση του μεταξιού σε χημικά, αλλά χρησιμοποιεί αυστηρά ελεγχόμενη θερμότητα (125-215°C) και εξαιρετικά υψηλή πίεση (έως 9.800 ατμόσφαιρες).
• Το τελικό υλικό («fused silk») διαθέτει αντοχή 510 MPa και εφελκυστική σκληρότητα 45 MJ/m³, ξεπερνώντας το ξύλο και προσεγγίζοντας τις επιδόσεις του Kevlar.
• Είναι διαφανές στο ορατό φάσμα και διαθέτει οπτικές ιδιότητες στο φάσμα terahertz, ιδανικές για δίκτυα επόμενης γενιάς (6G) και προηγμένη ιατρική απεικόνιση.
• Το υλικό είναι πλήρως βιοδιασπώμενο και βιοσυμβατό, επιτρέποντας ρυθμιζόμενη ενσωμάτωση με ανθρώπινους ιστούς σε βιοϊατρικές εφαρμογές.

Μια κοινοπραξία ερευνητών από τα πανεπιστήμια Tufts, Michigan και το Imperial College London παρουσίασε μια μέθοδο παραγωγής ενός νέου υπερυλικού με βάση το φυσικό μετάξι του μεταξοσκώληκα. Τα αποτελέσματα, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο έγκριτο περιοδικό Nature Sustainability, αποδεικνύουν ότι η κατάλληλη θερμομηχανική κατεργασία μπορεί να μετατρέψει τις ευαίσθητες ίνες του μεταξιού σε ένα συμπαγές στερεό, του οποίου η μηχανική αντοχή ανταγωνίζεται τα πλέον προηγμένα συνθετικά πολυμερή, φτάνοντας στα όρια του Kevlar.

Το επίτευγμα έγκειται στην παράκαμψη των παραδοσιακών μεθόδων επεξεργασίας βιοπολυμερών. Αντί να διαλύσουν τις ίνες χρησιμοποιώντας σκληρούς και περιβαλλοντικά επιβλαβείς διαλύτες, οι επιστήμονες εφάρμοσαν μια τεχνική άμεσης σύντηξης («fused silk»). Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα υλικό όχι μόνο μηχανικά ανθεκτικό, αλλά και οπτικά διαφανές, ανοίγοντας νέους ορίζοντες στις τηλεπικοινωνίες, την οπτική πληροφορική και την εμβιομηχανική.

Ποια είναι η διαδικασία παραγωγής και τα τεχνικά χαρακτηριστικά;

Η παραγωγή του συντηγμένου μεταξιού επιτυγχάνεται μέσω της ταυτόχρονης εφαρμογής θερμοκρασιών μεταξύ 125°C και 215°C και πιέσεων από 1.900 έως 9.800 ατμόσφαιρες σε καθαρισμένες ίνες μεταξοσκώληκα. Η διαδικασία αυτή δεν καταστρέφει τη μοριακή δομή της ινοΐνης, αλλά τη συμπιέζει σε ένα συμπαγές υλικό που αγγίζει τα 510 MPa σε αντοχή κάμψης και τα 45 MJ/m³ σε εφελκυστική σκληρότητα, αντικαθιστώντας τα επιβλαβή χημικά με καθαρή θερμομηχανική καταπόνηση.

Οι τεχνικές προδιαγραφές του νέου υλικού παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον κατασκευαστικό και τεχνολογικό τομέα, καθώς τα δεδομένα καταδεικνύουν εντυπωσιακές αποδόσεις:

• Μηχανική Αντοχή: Με αντοχή κάμψης στα 510 MPa, το υλικό ξεπερνά το παραδοσιακό ξύλο και το πλαστικό πολυανθρακικού (polycarbonate), ενώ προσεγγίζει τις εργαστηριακές επιδόσεις των ινών Kevlar.
• Οπτική Διαφάνεια: Σε αντίθεση με τα αδιαφανή συνθετικά συνθετικά, το υλικό διατηρεί υψηλή διαφάνεια στο ορατό φάσμα φωτός.
• Απόκριση Terahertz: Παρουσιάζει σημαντική οπτική δραστηριότητα στη ζώνη συχνοτήτων terahertz (THz), με έντονη περιστροφή πόλωσης.
• Ρυθμιζόμενη Βιοσυμβατότητα: Αναλόγως των συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας κατά τη σύντηξη, ο ρυθμός βιοδιάσπασης μπορεί να προγραμματιστεί, επιτρέποντας σταδιακή απορρόφηση από τον οργανισμό.

Η διαδικασία προετοιμασίας παραμένει εξαιρετικά απλή και βιομηχανικά κλιμακώσιμη. Ξεκινά με κοινό, εμπορικά διαθέσιμο μετάξι από κουκούλια μεταξοσκώληκα. Οι ίνες πλένονται σε ένα ήπιο διάλυμα ανθρακικού νατρίου για να αφαιρεθεί η σερικίνη – η φυσική κόλλα που κρατά το κουκούλι ενωμένο. Ακολούθως, οι καθαρές ίνες στοιχίζονται και υπόκεινται στη θερμομηχανική κατεργασία.

Εφαρμογές: Από το 6G έως τα ιατρικά εμφυτεύματα

Η διπλή φύση του νέου υπερυλικού (μηχανικά σκληρό και οπτικά ενεργό) το καθιστά κατάλληλο για βιομηχανίες αιχμής.

Στον τομέα των τηλεπικοινωνιών, οι ιδιότητες του υλικού στις συχνότητες terahertz λύνουν κατασκευαστικά προβλήματα για την επόμενη γενιά ασύρματων δικτύων (6G). Ο εξοπλισμός μετάδοσης υψηλών συχνοτήτων απαιτεί εξαρτήματα (όπως πολωτές και φακούς) που να διαχειρίζονται τα κύματα terahertz με ελάχιστες απώλειες ενέργειας. Το συντηγμένο μετάξι αποτελεί μια φθηνή, βιολογική και πλήρως ανακυκλώσιμη εναλλακτική λύση απέναντι στα ακριβά και δυσεύρετα συνθετικά κρύσταλλα που χρησιμοποιούνται σήμερα.

Παράλληλα, στον ιατρικό κλάδο, η δομή του επιτρέπει τη δημιουργία προηγμένων εμφυτευμάτων. Ένα ορθοπεδικό εξάρτημα από συντηγμένο μετάξι διαθέτει την απαραίτητη σκληρότητα για να υποστηρίξει ένα οστό κατά την ανάρρωση. Το κρίσιμο στοιχείο είναι πως, προσαρμόζοντας τη θερμοκρασία κατασκευής, οι επιστήμονες μπορούν να ρυθμίσουν το πόσο γρήγορα το υλικό θα διασπαστεί μέσα στο σώμα. Ένα εμφύτευμα χαμηλής σύντηξης επιτρέπει στα κύτταρα του ασθενούς να το διαπεράσουν και να το αντικαταστήσουν σταδιακά με φυσικό ιστό, αποτρέποντας την ανάγκη για δεύτερη, αφαιρετική χειρουργική επέμβαση.

Με τη ματιά του Techgear

Αν και τα νούμερα αντοχής στα 510 MPa ακούγονται εντυπωσιακά σε ελεγχόμενο περιβάλλον εργαστηρίου, η πραγματική πρόκληση για το «fused silk» θα είναι η μακροχρόνια αντοχή του στην υγρασία. Γνωρίζουμε ότι τα πρωτεϊνικά βιοπολυμερή παρουσιάζουν τάσεις διόγκωσης όταν εκτίθενται σε συνεχή υγρασία ή απότομες θερμοκρασιακές μεταβολές. Σε μια συσκευή ή ένα εξάρτημα τηλεπικοινωνιών, το υλικό αυτό θα πρέπει να αποδείξει πως η επιφάνειά του δεν αλλοιώνεται μικροσκοπικά μετά από μήνες χρήσης σε εξωτερικό περιβάλλον.

Ωστόσο, η συγκεκριμένη έρευνα αλλάζει ριζικά τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τα υλικά δομικής αντοχής. Η επίτευξη ιδιοτήτων αντίστοιχων του Kevlar μέσω μιας εντελώς «πράσινης» θερμομηχανικής διαδικασίας δείχνει ότι η φύση έχει ήδη λύσει τα προβλήματα μηχανικής αντοχής. Το γεγονός ότι ένα υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο σημάτων 6G, να αντέξει κρούσεις όπως το σκληρό πλαστικό, και στη συνέχεια να κομποστοποιηθεί πλήρως στο έδαφος χωρίς να αφήσει ίχνος μικροπλαστικού, τοποθετεί το συντηγμένο μετάξι στην κορυφή της ατζέντας για το hardware της επόμενης δεκαετίας.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!