Spindlar och silkesmaskar är mästare i materialvetenskap, men forskarna kommer äntligen ikapp. Siden är bland de tuffaste materialen som finns, starkare och mindre spröd, pund för pund, än stål. Nu har forskare vid MIT avslöjat några av sina djupaste hemligheter inom forskning som kan leda vägen till skapandet av syntetiska material som duplicerar, eller till och med överskrida, de extraordinära egenskaperna hos naturligt siden.
Markus Bühler, Esther och Harold E. Edgerton docent vid MIT:s institution för civil- och miljöteknik, och hans team studerar grundläggande egenskaper hos material och hur dessa material misslyckas. Med siden, det innebar att man använder datormodeller som kan simulera inte bara strukturerna hos molekylerna utan exakt hur de rör sig och interagerar i förhållande till varandra. Modellerna hjälpte forskarna att fastställa de molekylära och atomära mekanismerna som är ansvariga för materialets anmärkningsvärda mekaniska egenskaper.
Sidens kombination av styrka och duktilitet - dess förmåga att böjas eller sträckas utan att gå sönder - är resultatet av ett ovanligt arrangemang av atombindningar som i sig är mycket svaga, Buehler och hans team hittade. Doktorand Sinan Keten, postdoktor Zhiping Xu och doktorand Britni Ihle är medförfattare till en artikel om forskningen som ska publiceras den 14 mars i tidskriften Naturmaterial .
Silke tillverkas av proteiner, inklusive några som är tunna, plana kristaller som kallas beta-sheets. Dessa ark är förbundna med varandra genom vätebindningar - bland de svagaste typerna av kemiska bindningar, till skillnad från, till exempel, de mycket starkare kovalenta bindningarna som finns i de flesta organiska molekyler. Buehlers team genomförde en serie datorsimuleringar på atomnivå som undersökte de molekylära felmekanismerna i silke. "Små men styva kristaller visade förmågan att snabbt återskapa sina brutna bindningar, och som ett resultat misslyckas "graciöst" - det vill säga, gradvis snarare än plötsligt, ", förklarar doktoranden Keten.
"I de flesta konstruerade material" - keramik, till exempel — "hög styrka kommer med sprödhet, " säger Buehler. "När duktilitet har introducerats, material blir svaga." Men inte siden, som har hög hållfasthet trots att den är byggd av i sig svaga byggstenar. Det visar sig att det beror på att dessa byggstenar - de små beta-arkkristallerna, såväl som filament som förenar dem - är arrangerade i en struktur som liknar en hög bunt pannkakor, men med kristallstrukturerna inom varje pannkaka omväxlande i sin orientering. Denna speciella geometri av små silkesnanokristaller gör att vätebindningar kan fungera tillsammans, förstärkning av intilliggande kedjor mot yttre krafter, vilket leder till spindelsilkets enastående töjbarhet och styrka.
En överraskande upptäckt från det nya arbetet är att det finns ett kritiskt beroende av egenskaperna hos siden på den exakta storleken på dessa beta-arkkristaller i fibrerna. När kristallstorleken är cirka tre nanometer, materialet har sina ultrastarka och sega egenskaper. Men låt dessa kristaller växa strax över till fem nanometer, och materialet blir svagt och sprött.
Buehler säger att arbetet har konsekvenser långt utöver att bara förstå silke. Han noterar att fynden kan tillämpas på en bredare klass av biologiska material, såsom trä eller växtfibrer, och bioinspirerade material, såsom nya fibrer, garn och tyger eller vävnadsersättningsmaterial, att producera en mängd användbara material av enkla, vanliga element. Till exempel, han och hans team tittar på möjligheten att syntetisera material som har en liknande struktur som silke, men med hjälp av molekyler som i sig har större styrka, som kolnanorör.
Den långsiktiga effekten av denna forskning, Buehler säger, kommer att vara utvecklingen av ett nytt materialdesignparadigm som möjliggör skapandet av mycket funktionella material av överflöd, billiga material. Detta skulle vara ett avsteg från det nuvarande tillvägagångssättet, där starka band, dyra beståndsdelar, och energikrävande bearbetning (vid höga temperaturer) används för att erhålla högpresterande material.
Peter Fratzl, professor vid institutionen för biomaterial vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam, Tyskland, som inte var involverad i detta arbete, säger att "styrkan med det här laget är deras banbrytande flerskaliga teoretiska tillvägagångssätt" för att analysera naturliga material. Han tillägger att detta är "det första beviset från teoretisk modellering av hur väte binder, hur svaga de än är, kan ge hög hållfasthet och seghet om det är anordnat på ett lämpligt sätt i materialet."
Professor i biomaterial Thomas Scheibel vid University of Bayreuth, Tyskland, som inte heller var involverad i detta arbete, säger Buehlers arbete är av "högsta kaliber, " och kommer att stimulera mycket ytterligare forskning. MIT-teamets tillvägagångssätt, han säger, "kommer att ge en grund för bättre förståelse av vissa biologiska fenomen som hittills inte har förståtts."
