Nuova seta di ragno artificiale: Più forte dell’acciaio e del 98% di acqua

La seta dell’umile ragno ha delle proprietà piuttosto impressionanti. È uno dei materiali più robusti in natura, più forte dell’acciaio e più resistente del Kevlar. Può essere allungata diverse volte la sua lunghezza prima di rompersi. Per queste ragioni, replicare la seta di ragno in laboratorio è stata una sorta di ossessione tra gli scienziati dei materiali per decenni.

Ora, i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno creato un nuovo materiale che imita la forza, l’elasticità e la capacità di assorbimento di energia della seta di ragno. Questo materiale offre la possibilità di migliorare i prodotti, dai caschi da bici ai paracadute, dai giubbotti antiproiettile alle ali degli aerei. Forse la sua proprietà più impressionante? È al 98% acqua.

“I ragni sono modelli interessanti perché sono in grado di produrre queste superbe fibre di seta a temperatura ambiente usando l’acqua come solvente”, dice Darshil Shah, un ingegnere del Centre for Natural Material Innovation di Cambridge. “Questo processo i ragni si sono evoluti per centinaia di milioni di anni, ma non siamo stati in grado di copiarlo finora”.

Le fibre prodotte in laboratorio sono create da un materiale chiamato idrogel, che è composto per il 98% di acqua e per il 2% di silice e cellulosa, questi ultimi due tenuti insieme da cucurbituril, molecole che servono come “manette”. Le fibre di silice e cellulosa possono essere tirate dall’idrogel. Dopo circa 30 secondi, l’acqua evapora, lasciando solo il filo forte ed elastico.

Le fibre sono estremamente forti – anche se non così forti come le più forti sete di ragno – e, significativamente, possono essere fatte a temperatura ambiente senza solventi chimici. Questo significa che se possono essere prodotte su scala, hanno un vantaggio su altre fibre sintetiche come il nylon, che richiedono temperature estremamente elevate per la filatura, rendendo la produzione tessile una delle industrie più sporche del mondo. La seta di ragno artificiale è anche completamente biodegradabile. E poiché è fatta di materiali comuni e facilmente accessibili – principalmente acqua, silice e cellulosa – ha il potenziale per essere accessibile.

Perché il materiale può assorbire così tanta energia, potrebbe potenzialmente essere usato come tessuto protettivo.

“I ragni hanno bisogno di quella capacità di assorbimento perché quando un uccello o una mosca colpisce la loro tela, deve essere in grado di assorbirla, altrimenti si rompe”, dice Shah. “

Altre potenziali applicazioni includono tessuti per vele, paracadute, mongolfiere e caschi per bici o skateboard. Il materiale è biocompatibile, il che significa che potrebbe essere usato all’interno del corpo umano per cose come i punti di sutura.

Le fibre potrebbero anche essere modificate in una serie di modi interessanti, dice Shah. La sostituzione della cellulosa con vari polimeri potrebbe trasformare la seta in un materiale completamente diverso. Il metodo di base potrebbe essere replicato per produrre versioni a basso calore, senza bisogno di solventi chimici, di molti tessuti.

“È un metodo generico per rendere tutte le fibre, per rendere verde qualsiasi forma di fibra”, dice Shah.

Shah e il suo team sono tutt’altro che gli unici scienziati a lavorare sulla creazione di seta di ragno artificiale. A differenza dei bachi da seta, che possono essere allevati per la loro seta, i ragni sono cannibali che non tollererebbero gli spazi stretti necessari per l’allevamento, quindi rivolgersi al laboratorio è l’unico modo per ottenere quantità significative di materiale. Ogni pochi anni porta i titoli dei giornali su nuove incursioni nel processo. Un team tedesco ha modificato i batteri E-coli per produrre molecole di seta di ragno. Gli scienziati della Utah State University hanno allevato “capre ragno” geneticamente modificate per produrre proteine di seta nel loro latte. L’esercito americano sta testando la “seta di drago” prodotta da bachi da seta modificati per l’uso in giubbotti antiproiettile. All’inizio di quest’anno, i ricercatori del Karolinska Institute in Svezia hanno pubblicato un documento su un nuovo metodo per utilizzare i batteri per produrre proteine di seta di ragno in un modo potenzialmente sostenibile e scalabile. E questa primavera, la startup californiana Bolt Threads ha debuttato le cravatte di seta di ragno bioingegnerizzate al festival SXSW. Il loro prodotto è fatto attraverso un processo di fermentazione del lievito che produce proteine della seta, che poi passano attraverso un processo di estrusione per diventare fibre. È abbastanza promettente da aver generato una partnership con il produttore outdoor Patagonia.

Ma, come sottolinea una storia di Wired del 2015, “finora, ogni gruppo che ha tentato di produrre abbastanza di questa roba per portarla al mercato di massa, dai ricercatori alle aziende giganti, ha praticamente fallito.”

Questa è la sfida che Shah e il suo team stanno affrontando ora.

“Attualmente produciamo qualche decina di milligrammi di questi materiali e poi ne estraiamo le fibre”, dice. “Ma vogliamo provare a farlo su una scala molto più grande”

Per fare questo, il team sta lavorando su un dispositivo robotico per tirare e filare le fibre più velocemente e su una scala più grande che in precedenza. Hanno avuto un certo successo, dice Shah, e continuano ad esplorare il processo.

“Siamo ancora nelle prime fasi della ricerca”, dice.

I risultati del team sono stati recentemente pubblicati nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.