Ett team av arkitekter och kemister från University of Cambridge har designat supertöjbara och starka fibrer som nästan helt består av vatten, och kan användas för att tillverka textilier, sensorer och annat material. Fibrerna, som liknar bungee-snören i miniatyr eftersom de kan absorbera stora mängder energi, är hållbara, giftfritt och kan göras i rumstemperatur.

Denna nya metod förbättrar inte bara tidigare metoder för att tillverka syntetiskt spindelsilke, eftersom det inte kräver högenergiprocedurer eller omfattande användning av skadliga lösningsmedel, men det kan avsevärt förbättra metoderna för att tillverka syntetiska fibrer av alla slag, eftersom andra typer av syntetiska fibrer också är beroende av hög energi, giftiga metoder. Resultaten redovisas i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

Spindelsilke är ett av naturens starkaste material, och forskare har försökt efterlikna dess egenskaper för en rad olika tillämpningar, med varierande framgång. "Vi har ännu inte helt återskapat elegansen med vilken spindlar spinner silke, " sa medförfattaren Dr Darshil Shah från Cambridges arkitekturavdelning.

Fibrerna designade av Cambridge-teamet är "spunnet" av ett soppigt material som kallas hydrogel, vilket är 98% vatten. De återstående 2% av hydrogelen är gjord av kiseldioxid och cellulosa, både naturligt tillgängliga material, hålls samman i ett nätverk av tunnformade molekylära "handbojor" som kallas cucurbiturils. Den kemiska interaktionen mellan de olika komponenterna gör att långa fibrer kan dras från gelén.

Fibrerna dras från hydrogelen, bildar långa, extremt tunna trådar - några miljondelar av en meter i diameter. Efter ungefär 30 sekunder, vattnet avdunstar, lämnar en fiber som är både stark och stretchig.

"Även om våra fibrer inte är lika starka som de starkaste spindelsilken, de kan stödja spänningar i intervallet 100 till 150 megapascal, som liknar andra syntetiska och naturliga siden, sade Shah. "Men, våra fibrer är giftfria och mycket mindre energikrävande att tillverka."

Fibrerna är kapabla att självmontera vid rumstemperatur, och hålls samman av supramolekylär värd-gäst kemi, som förlitar sig på andra krafter än kovalenta bindningar, där atomer delar elektroner.

"När du tittar på dessa fibrer, du kan se en rad olika krafter som håller ihop dem i olika skalor, sa Yuchao Wu, en doktorand vid Cambridges kemiavdelning, och tidningens huvudförfattare. "Det är som en hierarki som resulterar i en komplex kombination av egenskaper."

Fibrernas styrka överstiger den hos andra syntetfibrer, som cellulosabaserad viskos och konstsilke, såväl som naturliga fibrer som människo- eller djurhår.

Förutom sin styrka, fibrerna visar också mycket hög dämpningskapacitet, vilket innebär att de kan absorbera stora mängder energi, liknar en bungee-snöre. Det finns väldigt få syntetiska fibrer som har denna kapacitet, men hög dämpning är en av de speciella egenskaperna hos spindelsilke. Forskarna fann att dämpningskapaciteten i vissa fall till och med översteg den hos naturligt siden.

"Vi tror att den här metoden att tillverka fibrer kan vara ett hållbart alternativ till nuvarande tillverkningsmetoder, " sa Shah. Forskarna planerar att utforska fibrernas kemi ytterligare, inklusive tillverkning av garn och flätade fibrer.