Deras första upptäckt hade verkat som en motsägelse eftersom de flesta andra polymerfibrer blir spröda i kylan. Men efter många års arbete med problemet, gruppen av forskare har upptäckt att sidens kryogena seghet är baserad på dess nanoskaliga fibriller. Submikroskopisk ordning och hierarki gör att en silke tål temperaturer ner till -200 C. Och möjligen ännu lägre, vilket skulle göra dessa klassiska naturliga lyxfibrer idealiska för applikationer i djupet av kyliga yttre rymden.

Det tvärvetenskapliga teamet undersökte beteendet och funktionen hos flera djursilke som kylts ner till flytande kvävetemperatur på -196 C. Fibrerna inkluderade spindelsilke men studien fokuserade på de tjockare och mycket mer kommersiella fibrerna från den vilda silkesmasken Antheraea pernyi .

I en artikel som publicerades idag i Materialkemigränser , teamet kunde visa inte bara "det" utan också "hur" silke ökar sin seghet under förhållanden där de flesta material skulle bli mycket spröda. Verkligen, silke tycks motsäga den grundläggande förståelsen för polymervetenskap genom att inte förlora utan få kvalitet under riktigt kalla förhållanden genom att bli både starkare och mer töjbar. Denna studie undersöker "hur" och förklarar "varför". Det visar sig att de underliggande processerna förlitar sig på de många nanostora fibriller som utgör kärnan i en silkesfiber.

I linje med traditionell polymerteori, studien hävdar att de individuella fibrillerna verkligen blir styvare när de blir kallare. Nyheten och betydelsen av studien ligger i slutsatsen att denna förstyvning leder till ökad friktion mellan krusidullerna. Denna friktion ökar i sin tur sprickenergiavledning samtidigt som den motstår fibrillerglidning. Ändring av temperatur skulle också modulera attraktionen mellan individuella silkesproteinmolekyler och i sin tur påverka kärnegenskaperna hos varje fibrill, som består av många tusen molekyler.

Viktigt, forskningen kan beskriva härdningsprocessen på både mikron- och nanoskalanivå. Teamet drar slutsatsen att varje spricka som sliter genom materialet avleds varje gång den träffar en nanofibril och tvingar den att förlora allt mer energi i de många omvägar som den måste ta sig fram. Och således går en silkesfiber först sönder när de hundratals eller tusentals nanofibrillerna först har sträckts ut och sedan halkat och sedan alla har knäckts individuellt.

Upptäckten tänjer på gränserna eftersom den studerade ett material i det begreppsmässigt svåra och tekniskt utmanande området som inte bara sträcker sig över mikron- och nanoskala utan också måste studeras vid temperaturer långt under alla djupfrysar. Storleken på skalorna som studeras sträcker sig från mikronstorleken på fibern till submikronstorleken på ett filamentknippe till fibrillernas nanoskala och sist men inte minst till nivån av supramolekylära strukturer och enskilda molekyler. Mot bakgrund av banbrytande vetenskap och futuristiska tillämpningar är det värt att komma ihåg att silke inte bara är 100 % en biologisk fiber utan också en jordbruksprodukt med årtusenden av FoU.

Det verkar som om denna studie har långtgående konsekvenser genom att föreslå ett brett spektrum av nya tillämpningar för silke, allt från nya material för användning i jordens polära områden till nya kompositer för lätta flygplan och drakar som flyger i strato- och meso-sfären till, kanske, till och med gigantiska nät spindna av robotspindlar för att fånga astroskräp i rymden.

Professor Fritz Vollrath, från Oxford University's Department of Zoology, sa:"Vi föreställer oss att denna studie kommer att leda till design och tillverkning av nya familjer av tuffa strukturella filament och kompositer som använder både naturliga och silkesinspirerade filament för tillämpningar i extrema kalla förhållanden som rymden."

Prof Zhengzhong Shao, från Macromolecular Science Department vid Fudan University i Shanghai, sa:'Vi drar slutsatsen att den exceptionella mekaniska segheten hos silkesfiber vid kryogena temperaturer härrör från dess högt inriktade och orienterade, relativt oberoende och töjbar nanofibrillär morfologi.'

Dr Juan Guan från Beihang University, i Peking, sa:"Denna studie ger nya insikter i vår förståelse av struktur-egenskapsförhållandena hos naturliga högpresterande material som vi hoppas kommer att leda till tillverkning av konstgjorda polymerer och kompositer för applikationer med låg temperatur och hög slagkraft."

Och Dr Chris Holland från Sheffield University, ledare för ett europeiskt forskningskonsortium om roman, Hållbara biofibrer baserade på insikter om naturlig silkesspinning sa:"Natursilke fortsätter att visa sig vara guldstandardmaterial för fiberproduktion. Arbetet här identifierar att det inte bara är kemin, men hur silke spuns och följaktligen struktureras, det är hemligheten bakom deras framgång.'

Nästa steg i forskningen kommer att testa de fantastiska egenskaperna ytterligare. Ett spin-out företag, Spintex Ltd, från Oxford University, delvis finansierat av ett EU H2020-bidrag, utforskar spinnande sidenproteiner på spindelns sätt och fokuserar på att kopiera submikronstrukturerna hos buntade fibriller.

Silke

• Naturligt siden är miljömässigt hållbart med djuret som spin-extruderar det från vattenhaltiga proteinsmältor vid omgivande temperaturer och låga tryck.
• Många siden är biokompatibla, vilket gör dem till utmärkta material för användning i medicinsk utrustning. Siden är lätta och tenderar att vara mycket tuffa, vilket tyder på användning i lätta applikationer där mycket energi måste tas upp av materialet.
• Allt siden är biologiskt disponibelt, helt bestående av naturliga aminosyrabyggstenar som lätt integreras i den naturliga cykeln av förfall och återuppbyggnad.
• Sist men inte minst, det finns en mängd information gömd i siden om proteinveckning och om naturens sätt att göra exceptionella polymerstrukturer.