Исследователи из Кембриджского университета (Великобритания) создали полимерную пленку, имитирующую свойства паучьего шелка, одного из самых прочных материалов в природе. Новый материал такой же прочный, как и многие обычные пластмассы, – и может заменить пластик во многих бытовых товарах, сообщает пресс-служба Кембриджского университета. Подробно разработка описана в журнале Nature Communications.
Этот материал можно компостировать в домашних условиях, в то время как для разложения других типов биопластиков требуется промышленное оборудование для компостирования. Кроме того, материал, разработанный в Кембридже, не требует химических модификаций своих естественных строительных блоков, поэтому он может безопасно разлагаться в большинстве естественных сред.
В рамках исследования белков ученые заинтересовались тем, почему такие материалы, как паучий шелк, настолько прочны, если у них такие слабые молекулярные связи. Они обнаружили, что одной из ключевых особенностей, придающих паучий шелк его прочность, является то, что водородные связи расположены регулярно и с очень высокой плотностью. Ученые начали искать способы воспроизвести эту регулярную самосборку в других белках.
Исследователи успешно воспроизвели структуры, обнаруженные в шелке паука, используя изолят соевого белка (SPI), легкодоступный материал, который получается как побочный продукт при производстве соевого масла. «Поскольку все белки состоят из полипептидных цепей, при правильных условиях мы можем заставить растительные белки самоорганизовываться, как шелк паука, – отметили авторы работы. – У паука белок шелка растворяется в водном растворе, который затем собирается в чрезвычайно прочное волокно, когда паук прядет свои нити. А для этого процесса требуется очень мало энергии». Однако, в отличие от белка паучьего шелка, SPI плохо растворяется в воде – поэтому сложно контролировать самосборка этого белка в упорядоченные структуры.
Тем не менее, исследователи нашли способ это исправить. В новом методе они использовали экологически чистую смесь уксусной кислоты и воды, на которую воздействовали ультразвуком и теплом, чтобы улучшить свойства растворимости SPI. Этот метод создает белковые структуры с усиленными межмолекулярными взаимодействиями, управляемыми образованием водородных связей. На втором этапе растворитель удаляется, в результате чего образуется нерастворимая в воде пленка.
Полученный материал обладает теми же характеристиками, что и высокотехнологичные пластмассы, как, например, полиэтилен низкой плотности. Его сила заключается в регулярном расположении полипептидных цепей, что означает отсутствие необходимости в химическом сшивании, которое часто используется для улучшения характеристик и устойчивости биополимерных пленок. Чтобы получить такой растительный «паучий шелк», не нужно использовать токсичные элементы.
Ключевым прорывом ученые называют возможность контролировать самосборку материала, поэтому теперь ученые могут создавать материалы, удобные для использования. К растительному полимеру можно добавить не выцветающий «структурный» цвет, а также его можно использовать для создания водостойких покрытий.
[Фото: Xampla]
