• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Ullliknande material kan komma ihåg och ändra form

    Ett keratinark viks till en komplex origami-stjärna som sin permanenta form. Kredit:Luca Cera/Harvard SEAS

    Som alla som någonsin har rätat ut sitt hår vet, vatten är fienden. Hår som mödosamt rätas ut av värme kommer att studsa tillbaka till lockar så fort det kommer i kontakt med vatten. Varför? Eftersom hår har formminne. Dess materialegenskaper gör att den kan ändra form som svar på vissa stimuli och återgå till sin ursprungliga form som svar på andra.

    Vad händer om andra material, speciellt textilier, hade den här typen av formminne? Föreställ dig en t-shirt med kylventiler som öppnas när den utsätts för fukt och stängs när den är torr, eller enstaka kläder som sträcker sig eller krymper till en persons mått.

    Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat ett biokompatibelt material som kan 3D-printas till vilken form som helst och förprogrammeras med reversibelt formminne. Materialet är tillverkat av keratin, ett fibröst protein som finns i hår, naglar och skal. Forskarna extraherade keratinet från överbliven Agora-ull som används vid textiltillverkning.

    Forskningen kan hjälpa den bredare ansträngningen att minska slöseri i modeindustrin, en av de största förorenarna på planeten. Redan, designers som Stella McCarthy ombildar hur industrin använder material, inklusive ull.

    "Med detta projekt, vi har visat att vi inte bara kan återvinna ull utan vi kan bygga saker av den återvunna ullen som vi aldrig har föreställt oss tidigare, sa Kit Parker, Tarr-familjens professor i bioteknik och tillämpad fysik vid SEAS och senior författare till uppsatsen. "Konsekvenserna för naturresursernas hållbarhet är tydliga. Med återvunnet keratinprotein, vi kan göra lika mycket, eller mer, än vad som har gjorts genom att klippa djur hittills och, genom att göra så, minska miljöpåverkan från textil- och modeindustrin."

    Kredit:Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

    Forskningen är publicerad i Naturmaterial.

    Nyckeln till keratins formförändrande förmåga är dess hierarkiska struktur, sa Luca Cera, en postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen.

    En enda kedja av keratin är arrangerad i en fjäderliknande struktur som kallas alfa-helix. Två av dessa kedjor vrids ihop för att bilda en struktur som kallas en lindad spole. Många av dessa lindade spolar är sammansatta till protofilament och så småningom stora fibrer.

    "Organisationen av alfaspiralen och de bindande kemiska bindningarna ger materialet både styrka och formminne, sa Cera.

    När en fiber sträcks ut eller utsätts för en viss stimulans, de fjäderliknande strukturerna rullas upp, och bindningarna justeras om för att bilda stabila beta-ark. Fibern förblir i den positionen tills den triggas att lindas tillbaka till sin ursprungliga form.

    För att demonstrera denna process, forskarna 3-D-tryckta keratinark i en mängd olika former. De programmerade materialets permanenta form - formen det alltid kommer att återgå till när det utlöses - med hjälp av en lösning av väteperoxid och mononatriumfosfat.

    När minnet väl var inställt, arket kunde omprogrammeras och formas till nya former.

    Till exempel, ett keratinark veks till en komplex origami-stjärna som sin permanenta form. När minnet väl var inställt, forskarna sänkte stjärnan i vatten, där den vecklades ut och blev formbar. Därifrån, de rullade arket till ett tätt rör. När det väl är torrt, arket låstes in som ett fullt stabilt och funktionellt rör. För att vända processen, de satte tillbaka röret i vattnet, där den rullades ut och veks tillbaka till en origami-stjärna.

    "Denna tvåstegsprocess med 3D-utskrift av materialet och sedan inställning av dess permanenta former möjliggör tillverkning av riktigt komplexa former med strukturella egenskaper ner till mikronnivå, ", sa Cera. "Detta gör materialet lämpligt för ett stort antal applikationer från textil till vävnadsteknik."

    "Oavsett om du använder sådana här fibrer för att göra bysthållare vars kupstorlek och form kan anpassas varje dag, eller du försöker göra aktiveringstextilier för medicinsk terapi, möjligheterna med Lucas arbete är breda och spännande, ", sa Parker. "Vi fortsätter att ombilda textilier genom att använda biologiska molekyler som tekniska substrat som de aldrig har använts tidigare."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com