Учёные превратили обычный шёлк тутового шелкопряда в сверхпрочный материал, который по многим параметрам обходит дерево и кость, а по прочности приближается к легендарному кевлару и углеродному волокну. При этом он остаётся полностью натуральным, биосовместимым и может постепенно растворяться в организме. Команда из Университета Тафтса, Имперского колледжа Лондона и Университета Мичигана отказалась от привычного растворения волокон в химикатах и придумала куда более «зелёный» и эффективный способ.
Как шёлк превратили в сверхматериал
Вместо того чтобы разрушать натуральные волокна и заново собирать их из белкового «супа», исследователи взяли готовые волокна из коконов, удалили клейкий серцин мягким раствором карбоната натрия, тщательно выровняли их и подвергли одновременному воздействию тепла и огромного давления.
При нагреве от 125 до 215°C подвижные (аморфные) участки белка фиброина размягчаются и прочно связывают соседние волокна, а кристаллические структуры, отвечающие за прочность, остаются нетронутыми. В результате получается плотный материал, микроструктура которого удивительно напоминает дерево, но значительно превосходит его по механическим свойствам.
«Обычно при переработке шёлка мы теряем большую часть его природной прочности, — объясняет исследовательница из Тафтса Чунмей Ли (Chunmei Li). — В новом методе мы просто выравниваем волокна и одним шагом сплавляем их друг с другом под теплом и давлением».
Прочность и биосовместимость
Новый материал демонстрирует выдающуюся ударную вязкость и значительно превосходит кость и дерево. По некоторым характеристикам он уже приближается к кевлару и композитам на основе углеродного волокна, а также показал отличную устойчивость к баллистическому удару.
Самое важное — полная биосовместимость. В опытах на животных материал вызывал лишь лёгкую иммунную реакцию, которая со временем полностью исчезала. Ещё один большой плюс — возможность точно настраивать скорость биодеградации. Меняя параметры прессования, учёные могут создавать как быстрорастворимые версии (для временных фиксаторов), так и очень долговечные конструкции.
Применение в медицине и за её пределами
Главное направление — ортопедические импланты: пластины, винты и фиксаторы для переломов костей. Материал достаточно прочный для серьёзных нагрузок, безопасный для организма и со временем может полностью рассосаться, избавляя пациента от повторной операции.
Кроме того, учёные из Университета Мичигана обнаружили, что сплавлённый шёлк способен поляризовать терагерцовое излучение. Это открывает перспективы для использования в системах безопасности, медицинской визуализации и даже в будущих технологиях 6G-связи.
Исследование опубликовано в журнале Nature Sustainability.
