Pauci i svilene bube su majstori znanosti o materijalima, ali znanstvenici ih napokon razumijevaju. Svila je među najčvršćim poznatim materijalima, jača i manje krhka od čelika. Sada su znanstvenici s Massachusetts Institute of Technology (MIT) razotkrili neke od njenih najdubljih tajni u istraživanjima koja bi mogla dovesti do stvaranja sintetičkih materijala koji oponašaju, ili čak i premašuju, izvanredna svojstva prirodne svile.
Markus Buehler, Estera i Harold E. Edgerton, izvanredni profesor MIT Odjela za inženjering okoliša i njegov tim, istražuju temeljna svojstva materijala i način kako ti materijali propadaju. Kod svile, to znači korištenje računalnih modela koji mogu simulirati ne samo strukture molekula, već točno kako se kreću i djeluju u odnosu jedna na drugu. Modeli su znanstvenicima pomogli utvrditi molekularne i atomske mehanizme odgovorne za izvanredna mehanička svojstva materijala.
Svila je kombinacija snage i rastezljivosti – njegna sposobnost da se savija ili proteže bez prekida – proizlazi iz neobičnog rasporeda atomske veze koja je sama po sebi vrlo slaba, što su otkrili Buehler i njegov tim.
Svile su izgrađene od proteina, uključujući i neke koji tvore tanke, ravne kristale koji se nazivaju beta-listovi. Ovi listovi su međusobno povezani preko vodikovih veza – najslabije vrste kemijskih veza, za razliku od, na primjer, puno jačih kovalentnih veza koje se mogu naći u većini organskih molekula. Buehlerov tim provodi računalnu simulaciju na atomskoj razini u kojoj se istražuju molekularni mehanizmi u svili. “Mali, ali kruti kristali pokazali su sposobnost da brzo mogu ponovno oblikovati svoje slomljene veze, i to elegantno, to jest postupno, a ne odjednom, ” objasnio je student Keten.
“U većini projektiranih materijala” – keramika, na primjer – “postoji visoka čvrstoća, ali lomljiva” rekao je Buehler. “Kada se doda sposobnost rastezljivosti, materijali postaju slabi.” To nije slučaj kod svile, koja zadržava visoku čvrstoću unatoč tome što je izrađena od samih po sebi slabih gradivnih blokova. Smatra se da je to zbog tih gradivnih blokova – malenih beta-list kristala, kao i vlakna koja im se pridruže – a koja su raspoređena u strukturu koja sliči posloženoj hrpi rezane drvene građe, ali s kristalnom strukturom unutar svakog elementa postavljenom naizmjenično u odnosu na njihovu orijentaciju. Ovakva geometrija svilenih nanokristala omogućuje radnu kooperativnost vodikovih veza, jačanje susjednih lanaca protiv vanjskih sila, što dovodi do izvanredne rastezljivosti i čvrstoće svile.
Jedan iznenađujući nalaz iz novog rada je otkriće kritične ovisnosti svojstava svile o točnoj veličini ovih beta-list kristala unutar vlakana. Kada je kristal veličine oko tri nanometra (milijarditi dio metra), materijal ima svoja iznimno jaka i rastezljiva obilježja. Ali kad ti kristali rastu iznad pet nanometara, materijal postaje slab i krhak.
Buehler kaže da rad ima daleko veći značaj od samog razumijevanja svile. Napominje da se nalazi mogu primijeniti na širi sloj biološkog materijala, kao što su drvo ili biljna vlakna, te je bio inspiriran materijalima, kao što su nove vrste vlakana, prediva i tkanina ili materijal za zamjenu tkiva, sve za izradu raznih korisnih materijala iz jednostavnih, uobičajenih elemenata. Na primjer, on i njegov tim istražuju mogućnosti sinteze materijala koji ima sličnu strukturu svile, ali koristeći molekule koje u sebi nose veću snagu, kao što su ugljikove nanocjevčice.
Dugoročni utjecaj ovog istraživanja bit će razvoj novih dizajna materijala koji omogućuju stvaranje vrlo funkcionalnih materijala iz jeftinih sirovina. To bi bilo odstupanje od trenutnog pristupa, gdje se za dobivanje visokih performansi materijala koristi skupe sastojke i energija intenzivne obrade (na visokim temperaturama).
Petar Fratzl, profesor na odjelu biomaterijala u Max Planck Institutu na Koloidi i odjela u Potsdamu, u Njemačkoj, koji nije bio uključen u ovaj posao, kaže da je “snaga ovog tima njihov pionirski razrađen teorijski pristup” na analizi prirodnih materijala. On dodaje da je to “prvi dokaz iz teoretskog modeliranja vodikovih veza, jednako slabih kako one mogu biti, a mogu osigurati visoku čvrstoću i žilavost prema zahtjevu za određene potrebe pojedinog materijala.”
Profesor Thomas sa Scheibel Sveučilišta u Bayreuth, Njemačka, koji je također nije uključen u ovaj posao, smatra Buehlerov rad “vrhunskim”, jer će stimulirati mnoga daljnja istraživanja. Ovakav pristup MIT tima će pružiti temelj za bolje razumijevanje određenih bioloških fenomena koja do sada nisu bila razjašnjena.
Izvor:http://www.fibre2fashion.com/news/textile-news/newsdetails.aspx?news_id=83461
