Spindelsilke är en självmonterande biopolymer med vätebindningar som ligger bakom dess kemiska struktur, men trots svag kemisk bindning överträffar den de flesta material i förhållande till mekanisk prestanda. Biopolymeren är framställd av spindelns stora ampullerkörtel och är en extraordinär fiber som kan överträffa de flesta syntetiska material i mekanisk seghet genom att balansera styrka och förlängning/flexibilitet. Egenskaper hos spindeldraglinesilke inkluderar hög värmeledningsförmåga, märklig torsionsdynamik och potentialen för exceptionell vibrationsutbredning. För att lägga till mer distinktion till den naturliga fibern, spindel dragline silke visa en gigantisk form-minne effekt vid exponering för vatten; i en effekt som kallas superkontraktion. De unika och anmärkningsvärda egenskaperna hos spindeldraglinesilke tillskrivs dess hierarkiska struktur och morfologi.

I en nyligen genomförd studie, nu publicerad i Vetenskapens framsteg , Dabiao Liu och medarbetare vid de multidisciplinära forskningsområdena ingenjörsvetenskap, fysik, molekylär mekanik, biomedicinsk teknik och biovetenskap, rapportera om den nya egenskapen av fuktinducerat vridningsbeteende hos spindelsilke. De visade effekten av spindeldraglinssilke och möjliga strukturella ursprung för vridningsreaktionen i studien med potential att konstruera en "hel ny klass av material". Att förstå förhållandet mellan struktur och egenskaper hos spindelsilke kan gynna materialforskare genom att ge ett intryck av biopolymerens exakta fysiska natur. Nya biomaterial baserade på de betydande mekaniska egenskaperna hos spindelsilke kan konstrueras för att översätta materialets struktur-egenskapsförhållande till praktiska tillämpningar.

Spider dragline sidenmaterial är känsligt för vatten och kan krympa upp till femtio procent i längd med radiell svullnad. Vatten kan bryta vätebindningar vid hög luftfuktighet för att omordna de nanokristallina molekylerna till lägre energikonfigurationer, vilket resulterar i superkontraktion. Inom tillämpad vetenskap och teknik, superkontraktion kan hitta ursprungliga applikationer som konstgjorda muskler eller dragaktuatorer. Till exempel, spindelsilke från Nephila clavipes och Ornithoctonus huwena kan uppvisa ett reproducerbart krymptöjningsbeteende på grund av vatten och fukt, tillåter cykliska viktlyftningar. Nya exempel på sådana applikationer inkluderar konstruerade konstgjorda torsionsmuskler med syntetiska polymerer, kolnanorör och grafentillverkade fibrer.

Även om tidigare studier har undersökt vridningsegenskaper hos spindeldraglinssilke, det strukturella ursprunget till dess vridningsbeteende återstår att utforska på djupet. I det här arbetet, Liu et al. observerade det unika beteendet hos draglinesilke i jämförelse med kontrollfibrer som Bombyx mori-silke, Kevlarfiber och människohår. Forskarna designade experimenten för att avslöja det stegvisa personliga svaret av draglinesilke på ökad luftfuktighet. De genomförde atomistiska simuleringar av tvåkomponentsproteinerna MaSp1 och MaSp2 för att förstå mekanismen för strukturellt vridningsbeteende på molekylnivå. De föreslog sedan ett möjligt samband mellan den observerade vriddeformationen som drivs av fukt och den molekylära strukturen hos draglinesilke.

Liu et al. begagnade dragline-silke från Nephila pilipes, Nephila eduli och Argiope versicolor spindelarter genom att framgångsrikt replikera en tidigare metod för silkesprovtagning. De använde en apparat baserad på bildbehandling för att studera fuktdriven vridning av de tunna fibrerna. I experimentuppställningen, forskarna använde en torsionspendel gjord av en enda fiber innesluten i ett fuktighetsskåp och registrerade pendelns rörelse med en videokamera samtidigt som den ökade eller minskade den relativa fuktigheten (RH). De designade två olika protokoll för att förstå svaret hos spindeldraglinssilke på den förändrade luftfuktigheten; ett protokoll ökade RH stegvis för att bibehålla höga värden under en lång tidsperiod. I den andra metoden, de ändrade RH cykliskt från 40 till 100 procent och återgick till 40 procent fem gånger.

Använda svepelektronmikroskopi (SEM), forskarna karakteriserade först spindelsilkens morfologi och struktur. De genomförde screeningtest på tre kontrollfibrer; B. mori silke, människohår och kevlarfiber. Experimenten avslöjade de representativa fibrernas vridningsreaktioner på miljöfuktighet. De observerade sedan fuktinducerade cykliska sammandragningar/avslappningar av draglinesilke från olika spindelarter för att förstå vridningspåverkan driven av fukt i draglinesilke. Efter testerna, ytan på draglinesilket blev strävare än i det inledande skedet. Spindelns dragline-silke av N. pilipes uppnådde en vridningsdeformation på ungefär 255 ⁰ /mm i en riktning, ett värde som är större än det som genereras av konstgjorda kolnanorörsmuskler (250 ⁰ /mm) drivs av el. Värdet var också 1000 x högre än de som rapporterats för andra ställdon baserade på formminneslegering och ledande polymerer med vriddeformationsförmåga. För A. versicolor dragline siden, vridpåverkan startade vid 70 procent RF, detta värde var lägre än det för N. pilipes dragline silke men fortfarande jämförbart med kolnanorörsmuskler.

Liu et al. jämförde sedan resultaten från det andra protokollet för cykliska fuktighetsförändringar där spindelns dragline-silke visade vridningssvar som var känsligt för fukt, tillhandahålla en metod för att kontrollera vriddeformation. När antalet RH-cykler ökade, vridningshastigheten och vinkelaccelerationen för draglinesilken minskade, vilket indikerar att vridningsdeformationen nådde ett tillstånd av mättnad. Forskarna registrerade att allt silke förlängdes med cirka 5 till 10 procent efter varje test.

Eftersom fuktinducerad vridning är ett unikt kännetecken för spindeldraglinssilke, forskarna undersökte den molekylära strukturen och materialets morfologi för att avslöja den underliggande mekanismen för detta beteende. De analyserade också de specifika sekundära strukturerna och den hierarkiska strukturella organisationen av molekylen. Liu et al. visade att närvaron av prolin i MaSp2-proteinet producerade en mer uttalad enkelriktad vridning i skalan för den enda molekylen. Forskarna antog därför att den strimmiga linjära prolinringens orientering kan ha tvingat molekylen in i ett vridet mönster. Använda molekylära simuleringsprotokoll på proteinnivå, de förklarade det observerade glasövergångsbeteendet hos spindelsilke vid hög RF.

På det här sättet, Liu et al. visade att spindeldraglinssilke kan generera en enorm twist (upp till 255 ⁰ /mm för N. pilipes och 127 ⁰ /mm för A. versicolor spider dragline silke) under 70 procent RF. Forskarna visade att vridning av materialet kunde kontrolleras helt enkelt genom att justera nivån på RH. Den observerade kraften som genererades i draglinesilke var inte passiv utan en aktiv tillståndsändring som svar på fuktens drivkraft. Den fuktinducerade vridningen vände draglinans silke för att fungera som en vridningsaktuator. Dessa forskningsrön kommer att ha tillämpningar i utvecklingen av fuktdrivna mjuka robotar, nya sensorer för exakt fuktighet, smarta textilier eller grön energi enheter.

© 2019 Science X Network