Nieuwe kunstmatige spinnenzijde: Sterker dan staal en 98 procent water

De zijde van de nederige spin heeft een aantal indrukwekkende eigenschappen. Het is een van de stevigste materialen in de natuur, sterker dan staal en taaier dan Kevlar. Het kan verschillende keren worden uitgerekt voordat het breekt. Om deze redenen is het nabootsen van spinnenzijde in het laboratorium al tientallen jaren een obsessie voor materiaalkundigen.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Cambridge een nieuw materiaal gemaakt dat de sterkte, rekbaarheid en energie-absorberende capaciteit van spinnenzijde nabootst. Dit materiaal biedt de mogelijkheid om producten te verbeteren, van fietshelmen tot parachutes en van kogelvrije jassen tot vliegtuigvleugels. Misschien wel de meest indrukwekkende eigenschap? Het bestaat voor 98 procent uit water.

“Spinnen zijn interessante modellen omdat ze in staat zijn om deze prachtige zijdevezels bij kamertemperatuur te produceren met water als oplosmiddel,” zegt Darshil Shah, een ingenieur aan Cambridge’s Centre for Natural Material Innovation. “Dit proces hebben spinnen in de loop van honderden miljoenen jaren ontwikkeld, maar wij hebben het tot nu toe niet kunnen kopiëren.”

De in het lab gemaakte vezels zijn gemaakt van een materiaal dat een hydrogel wordt genoemd, dat voor 98 procent uit water bestaat en voor 2 procent uit silica en cellulose, de laatste twee bij elkaar gehouden door cucurbiturillen, moleculen die als “handboeien” dienen. De silica- en cellulosevezels kunnen uit de hydrogel worden getrokken. Na ongeveer 30 seconden is het water verdampt en blijft alleen de sterke, rekbare draad over.

De vezels zijn extreem sterk – hoewel niet zo sterk als het sterkste spinnenzijde – en, wat veelzeggend is, ze kunnen bij kamertemperatuur worden gemaakt zonder chemische oplosmiddelen. Dit betekent dat als zij op grote schaal kunnen worden geproduceerd, zij een voordeel hebben ten opzichte van andere synthetische vezels zoals nylon, die extreem hoge temperaturen vereisen voor het spinnen, waardoor de textielproductie een van de vuilste industrieën ter wereld is. De kunstmatige spinnenzijde is ook volledig biologisch afbreekbaar. En omdat het is gemaakt van gewone, gemakkelijk toegankelijke materialen – voornamelijk water, silica en cellulose – heeft het de potentie om betaalbaar te zijn.

Omdat het materiaal zoveel energie kan absorberen, zou het mogelijk kunnen worden gebruikt als een beschermende stof.

“Spinnen hebben dat absorptievermogen nodig, want als een vogel of een vlieg hun web raakt, moet het dat kunnen absorberen, anders gaat het kapot,” zegt Shah. “Dus zaken als scherfwerende of andere beschermende militaire kleding, dat zou een opwindende toepassing zijn.”

Andere potentiële toepassingen zijn zeildoek, parachutestof, heteluchtballonmateriaal, en fiets- of skateboardhelmen. Het materiaal is biocompatibel, wat betekent dat het in het menselijk lichaam kan worden gebruikt voor zaken als hechtingen.

De vezels kunnen ook op een aantal interessante manieren worden aangepast, aldus Shah. Door de cellulose te vervangen door verschillende polymeren kan zijde in een heel ander materiaal worden veranderd. De basismethode zou kunnen worden gekopieerd om versies van veel stoffen te maken die weinig warmte vergen en geen chemische oplosmiddelen nodig hebben.

“Het is een generieke methode om alle vezels te maken, om elke vorm van vezel groen te maken,” zegt Shah.

Shah en zijn team zijn lang niet de enige wetenschappers die werken aan het maken van kunstmatige spinnenzijde. In tegenstelling tot zijderupsen, die kunnen worden gekweekt voor hun zijde, zijn spinnen kannibalen die de nauwe ruimtes die nodig zijn voor het kweken niet zouden tolereren, dus is het inschakelen van het lab de enige manier om aanzienlijke hoeveelheden van het materiaal te krijgen. Om de paar jaar verschijnen er berichten over nieuwe ontwikkelingen in het proces. Een Duits team heeft E-coli bacteriën gemodificeerd om spinzijdemoleculen te produceren. Wetenschappers van de Utah State University hebben genetisch gemodificeerde “spinnengeiten” gefokt om zijdeproteïnen in hun melk te produceren. Het Amerikaanse leger test “drakenzijde” die via gemodificeerde zijderupsen wordt geproduceerd voor gebruik in kogelvrije vesten. Eerder dit jaar publiceerden onderzoekers van het Karolinska Instituut in Zweden een artikel over een nieuwe methode om bacteriën te gebruiken voor de productie van spinnenzijde-eiwitten op een potentieel duurzame, schaalbare manier. En dit voorjaar debuteerde de in Californië gevestigde startup Bolt Threads op het SXSW-festival met biologisch vervaardigde spinnenzijden stropdassen. Hun product wordt gemaakt door middel van een gistfermentatieproces waarbij zijdeproteïnen worden geproduceerd, die vervolgens door een extrusieproces tot vezels worden verwerkt. Het is veelbelovend genoeg om een partnerschap met outdoorfabrikant Patagonia op te leveren.

Maar, zoals een Wired-verhaal uit 2015 aangeeft, “tot nu toe heeft elke groep die heeft geprobeerd genoeg van het spul te produceren om het op de massamarkt te brengen, van onderzoekers tot gigantische bedrijven, vrijwel gefaald.”

Dit is de uitdaging waar Shah en zijn team op dit moment voor staan.

“Momenteel maken we ongeveer enkele tientallen milligrammen van deze materialen en trekken daar vervolgens vezels uit,” zegt hij. “Maar we willen proberen dit op veel grotere schaal te doen.”

Daartoe werkt het team aan een robotachtig apparaat om sneller en op grotere schaal dan voorheen vezels te trekken en te spinnen. Ze hebben al enig succes gehad, zegt Shah, en blijven het proces onderzoeken.

“We zitten nog in de beginfase van het onderzoek,” zegt hij.

De bevindingen van het team zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.