Метод, вдохновленный прядением паучьего шелка, привел исследователей из Сингапура к разработке мягких волокон, которые не только прочны, растяжимы и электропроводны, но и могут быть легко утилизированы для повторного использования. Об этом сообщает Science Blog. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Инновационный производственно-технологический процесс, разработанный группой исследователей во главе с доцентом Сви-Чинг Тан из Департамента материаловедения и инженерии Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура (NUS), открывает возможности для широкого спектра интеллектуальных текстильных изделий.
Создание волокон со всеми требуемыми свойствами (прочностью, растяжимостью и электропроводностью) было сложной задачей. Обычные методы требуют высокого давления, больших затрат энергии, большого количества химикатов и специального оборудования, что тем не менее приводит к волокнам с ограниченными функциональными возможностями.
Взяв за основу процесс прядения натурального шелка пауков, научная группа NUS стремилась воспроизвести наиболее эффективные и универсальные способы формирования волокна по образцу паучьего шелка.
Исследователи определили два важных этапа производства паучьего шелка, которые они могли воспроизвести. Во-первых, они заметили, что концентрация белка и взаимодействие компонентов увеличиваются во время формирования и прядения шелковой пудры. Второй этап включил в себя разделение жидкой и твердой фаз, когда белки перестраиваются в растворе под действием внешних факторов, отделяя жидкую часть от твердых волокон паучьего шелка.
Воссоздав эти два шага, исследователи также использовали гель-раствор под названием PANSion, состоящий из полиакрилонитрила (PAN) и ионов серебра, растворенных в диметилформамиде (DMF) – широко используемом растворителе. В условиях окружающей среды раствор геля вытягивается и скручивается, образуя мягкие волокна. Когда гель подвергается воздействию воздуха, молекулы воды действуют как триггер, заставляя жидкую часть отделяться от твердой части на капли. Сила тяжести способствует удалению капель жидкости, оставляя после себя твердые волокна.
Этот инновационный процесс «искусственного прядения» успешно производил мягкие волокна, обладающие всеми желаемыми свойствами прочности, растяжимости и электропроводности. Стресс-тесты подтвердили высокую механическую прочность и эластичность геля PANSion, обеспеченные комплексами на основе металлов внутри геля. Анализ на молекулярном уровне подтвердил электропроводность волокон благодаря присутствию ионов серебра.
Универсальность мягких волокон PANSion была продемонстрирована в различных областях применения. В частности, они были вшиты в интерактивную перчатку, которая функционировала как «умная» игровая перчатка, опознавая жесты рук, которыми пользователь мог оперировать в относительно простых играх. Помимо этого, исследователи включили волокна в смарт-маску для лица, которая отслеживала дыхательную активность владельца.
Волокна также продемонстрировали потенциал для коммуникационных приложений, таких как передача азбуки Морзе посредством изменений в электрических сигналах. Кроме того, они были способны ощущать изменения температуры, обеспечивая потенциальную защиту роботов в экстремальных условиях.
В дополнение к широкому спектру применений, мягкие волокна PANSion обладают преимуществами экологичности. Их можно перерабатывать, растворяя в ДМФА (диметилформамиде – универсальном, широко распространенном промышленном растворителе), что позволяет в дальнейшем техпроцессе создавать новые волокна.
Исследователи NUS также отмечают: по сравнению с современными методами прядения волокон, новый метод, вдохновленный пауками, потребляет значительно меньше энергии и требует меньше химических веществ.