Nowy Sztuczny Jedwab Pająka: Stronger Than Steel and 98 Percent Water

Jedwab skromnego pająka ma całkiem imponujące właściwości. Jest jednym z najtrwalszych materiałów występujących w przyrodzie, mocniejszym niż stal i wytrzymalszym niż Kevlar. Można go rozciągnąć kilka razy na długość, zanim pęknie. Z tych powodów odtworzenie jedwabiu pajęczego w laboratorium jest od dziesięcioleci obsesją naukowców zajmujących się materiałami.

Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge stworzyli nowy materiał, który naśladuje wytrzymałość, rozciągliwość i zdolność pochłaniania energii jedwabiu pajęczego. Materiał ten oferuje możliwość ulepszenia produktów od kasków rowerowych do spadochronów, kurtek kuloodpornych do skrzydeł samolotów. Być może jego najbardziej imponująca właściwość? Składa się w 98 procentach z wody.

„Pająki są interesującymi modelami, ponieważ są w stanie wytwarzać te wspaniałe włókna jedwabiu w temperaturze pokojowej, używając wody jako rozpuszczalnika”, mówi Darshil Shah, inżynier w Cambridge’s Centre for Natural Material Innovation. „Proces ten pająki rozwijały przez setki milionów lat, ale jak dotąd nie udało nam się go skopiować.”

Włókna wytworzone w laboratorium są tworzone z materiału zwanego hydrożelem, który składa się w 98 procentach z wody i w 2 procentach z krzemionki i celulozy, przy czym te dwa ostatnie są utrzymywane razem przez kukurbiturile, cząsteczki, które służą jako „kajdanki”. Włókna krzemionki i celulozy można wyciągnąć z hydrożelu. Po około 30 sekundach woda odparowuje, pozostawiając za sobą tylko mocną, rozciągliwą nić.

Włókna są niezwykle mocne – choć nie tak mocne jak najmocniejsze pajęcze jedwabie – i co istotne, mogą być wytwarzane w temperaturze pokojowej bez rozpuszczalników chemicznych. Oznacza to, że jeśli uda się je wyprodukować na skalę przemysłową, będą miały przewagę nad innymi włóknami syntetycznymi, takimi jak nylon, które wymagają bardzo wysokich temperatur do przędzenia, co czyni produkcję włókienniczą jedną z najbrudniejszych gałęzi przemysłu na świecie. Sztuczny jedwab pajęczy jest również całkowicie biodegradowalny. A ponieważ jest wykonany ze zwykłych, łatwo dostępnych materiałów – głównie wody, krzemionki i celulozy – ma potencjał, aby być przystępny cenowo.

Ponieważ materiał może pochłaniać tak wiele energii, mógłby być potencjalnie wykorzystywany jako tkanina ochronna.

„Pająki potrzebują tej zdolności absorpcji, ponieważ kiedy ptak lub mucha uderza w ich sieć, musi ona być w stanie to wchłonąć, w przeciwnym razie pęknie” – mówi Shah. „To byłoby ekscytujące zastosowanie, na przykład w wojskowej odzieży ochronnej lub odpornej na odłamki.”

Inne potencjalne zastosowania obejmują tkaniny żaglowe, spadochronowe, materiały do balonów na gorące powietrze oraz kaski rowerowe i deskorolkowe. Materiał jest biokompatybilny, co oznacza, że mógłby być używany wewnątrz ludzkiego ciała do takich rzeczy jak szwy.

Włókna można również modyfikować na wiele ciekawych sposobów, twierdzi Shah. Zastąpienie celulozy różnymi polimerami mogłoby przekształcić jedwab w zupełnie inny materiał. Podstawowa metoda mogłaby być powielana w celu produkcji niskotemperaturowych, nie wymagających użycia rozpuszczalników chemicznych wersji wielu tkanin.

„Jest to ogólna metoda do produkcji wszystkich włókien, do produkcji każdej formy włókna ekologicznego”, mówi Shah.

Shah i jego zespół nie są jedynymi naukowcami, którzy pracują nad stworzeniem sztucznego jedwabiu pajęczego. W przeciwieństwie do jedwabników, które można hodować dla ich jedwabiu, pająki są kanibalami, które nie tolerowałyby bliskiego sąsiedztwa niezbędnego do hodowli, więc zwrócenie się do laboratorium jest jedynym sposobem na uzyskanie znacznych ilości materiału. Co kilka lat pojawiają się nagłówki o nowych postępach w tym procesie. Niemiecki zespół zmodyfikował bakterie E-coli do produkcji cząsteczek jedwabiu pajęczego. Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Utah wyhodowali genetycznie zmodyfikowane „pajęcze kozy”, które produkują proteiny jedwabiu w swoim mleku. Armia amerykańska testuje „smoczy jedwab” produkowany przez zmodyfikowane jedwabniki do zastosowania w kamizelkach kuloodpornych. Na początku tego roku, naukowcy z Instytutu Karolinska w Szwecji opublikowali pracę na temat nowej metody wykorzystania bakterii do produkcji białek jedwabiu pajęczego w potencjalnie zrównoważony, skalowalny sposób. A wiosną tego roku kalifornijski startup Bolt Threads zadebiutował na festiwalu SXSW krawatami z bioinżynieryjnego jedwabiu pajęczego. Ich produkt jest wytwarzany w procesie fermentacji drożdży, w wyniku którego powstają białka jedwabiu, które następnie są poddawane procesowi wytłaczania i stają się włóknami. Jest on na tyle obiecujący, że doprowadził do nawiązania współpracy z producentem odzieży outdoorowej Patagonia.

Ale, jak zauważa artykuł z 2015 roku w Wired, „jak dotąd każda grupa, która próbowała wyprodukować wystarczającą ilość tego materiału, aby wprowadzić go na rynek masowy, od naukowców po wielkie korporacje, poniosła dość dużą porażkę.”

To jest wyzwanie, przed którym Shah i jego zespół stoją obecnie.

„Obecnie wytwarzamy około kilkudziesięciu miligramów tych materiałów, a następnie wyciągamy z nich włókna,” mówi. „Ale chcemy spróbować zrobić to na znacznie większą skalę.”

Aby tego dokonać, zespół pracuje nad urządzeniem zrobotyzowanym, które będzie w stanie wyciągać i prząść włókna szybciej i na większą skalę niż dotychczas. Jak twierdzi Shah, odnieśli już pewien sukces i nadal badają ten proces.

„Wciąż jesteśmy na wczesnym etapie badań”, mówi.

Wyniki badań zespołu zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.