Каждый ребенок, читавший комиксы или смотревший фильмы о Человеке-пауке, пытался представить, каково это – стрелять паутиной из своего запястья, летать над улицами и обезвреживать злодеев. Исследователи из Университета Тафтса серьезно отнеслись к этим воображаемым сценам и создали первую технологию полета паутины, в которой жидкий материал может выстреливать из иглы, тут же застывать в виде нити, прилипать к предметам и поднимать их. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Липкие волокна, созданные в лаборатории Silklab Университета Тафтса, получают из коконов тутового шелкопряда, которые варят в растворе и расщепляют на строительные белки, называемые фиброином. Раствор фиброина шелка можно выдавливать через иглы с узким отверстием, формируя поток, который, при наличии соответствующих добавок, застывает в волокно при контакте с воздухом.
Конечно, природа изначально вдохновила нас на создание из шелковых волокон веревок, паутины и коконов. Пауки, муравьи, осы, пчелы, бабочки, мотыльки, жуки и даже мухи в какой-то момент своего жизненного цикла производят шелк. Природа также вдохновила Silklab на создание на основе фиброина шелка мощных клеев, способных работать под водой; печатаемых датчиков, которые можно наносить практически на любую поверхность; съедобных покрытий, способных продлить срок хранения продуктов; светопоглощающего материала, который может значительно повысить эффективность солнечных батарей; и более экологичных методов производства микросхем.
Однако, несмотря на значительный прогресс в создании материалов на основе шелка, ученым еще предстояло повторить мастерство пауков, которые могут контролировать жесткость, эластичность и клейкие свойства нитей, которые они прядут.
Прорыв произошел совершенно случайно. «Я работал над проектом по созданию чрезвычайно прочных клеев с использованием фиброина шелка, и когда я чистил стеклянную посуду ацетоном, заметил, что на дне стакана образовалась паутина», – рассказал Марко Ло Прести, доцент-исследователь из Тафтса.
Случайное открытие позволило преодолеть несколько инженерных проблем, связанных с воспроизведением паутинных нитей. Растворы фиброина шелка могут медленно формировать полутвердый гидрогель в течение нескольких часов при воздействии органических растворителей, таких как этанол или ацетон, но присутствие допамина, который используется при изготовлении клея, позволило процессу затвердевания произойти практически мгновенно. При быстром перемешивании раствора органического растворителя с раствором шелка быстро образовывались волокна с высокой прочностью на разрыв и клейкостью. Допамин и его полимеры используют ту же химию, что и морские лилии, для формирования волокон, которые прочно прилипают к поверхностям.
Следующим шагом было прядение волокон на воздухе. Исследователи добавили допамин в раствор фиброина шелка, который, как оказалось, ускоряет переход из жидкого состояния в твердое, вытягивая воду от шелка. Когда тонкая струя раствора шелка проходит через коаксиальную иглу, ее окружает слой ацетона, который и запускает процесс застывания. Ацетон испаряется в воздухе, оставляя волокно прикрепленным к любому объекту, с которым оно соприкасалось. Исследователи дополнили раствор шелкового фиброина и допамина хитозаном, производным экзоскелета насекомых, который увеличил прочность волокон на разрыв в 200 раз, и боратным буфером, повысившим клейкость примерно в 18 раз.
Диаметр волокон может варьироваться от человеческого волоса до полумиллиметра, в зависимости от отверстия иглы. Устройство может выпускать волокна, способные при различных условиях поднимать предметы, вес которых в 80 раз превышает их собственный. Исследователи продемонстрировали это, подняв кокон, стальной болт, лабораторную пробирку, плавающую в воде, скальпель, частично зарытый в песок, и деревянный брусок с расстояния около 12 сантиметров.
Ло Прести отметил: «Если вы посмотрите на природу, то обнаружите, что пауки не могут выстреливать паутиной. Обычно они прядут шелк из своей железы, физически соприкасаются с поверхностью и вытягивают нити, чтобы спрясти паутину. Мы же демонстрируем способ выстреливания волокна из устройства, а затем прилипания к объекту и захватывания его на расстоянии. Вместо того чтобы представлять эту работу как материал, вдохновленный биологией, на самом деле это материал, вдохновленный супергероями».
Натуральный шелк все еще примерно в 1000 раз прочнее искусственных волокон, использованных в этом исследовании. Но если приложить немного фантазии и инженерных решений, то инновация продолжит совершенствоваться и откроет путь к различным технологическим применениям.
«Мы можем вдохновляться природой. Мы можем вдохновляться комиксами и научной фантастикой. В данном случае мы хотели переделать наш шелковый материал так, чтобы он вел себя так, как его изначально задумала природа и представляли себе авторы комиксов», – говорит Фьоренцо Оменетто, профессор инженерного дела в Университете Тафтса и директор Silklab.
