De zijde van de bescheiden spin heeft een aantal behoorlijk indrukwekkende eigenschappen. Het is een van de meest robuuste materialen in de natuur, sterker dan staal en taaier dan Kevlar. Het kan meerdere keren zijn lengte worden uitgerekt voordat het breekt. Om deze redenen is het repliceren van spinnenzijde in het laboratorium al tientallen jaren een beetje een obsessie onder materiaalwetenschappers.
gerelateerde inhoud
- De tanden van slakken verslaat spinzijde als het sterkste materiaal van de natuur
- Kon Spider Silk een rijdende trein stoppen?
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Cambridge een nieuw materiaal gemaakt dat de kracht, rekbaarheid en energie-absorberende eigenschappen van spinnenzijde nabootst. Dit materiaal biedt de mogelijkheid om producten te verbeteren, van fietshelmen tot parachutes tot kogelvrije jassen tot vliegtuigvleugels. Misschien wel het meest indrukwekkende bezit? Het is 98 procent water.
"Spinnen zijn interessante modellen omdat ze deze buitengewone zijdevezels op kamertemperatuur kunnen produceren met water als oplosmiddel, " zegt Darshil Shah, ingenieur bij Cambridge's Centre for Natural Material Innovation. "Deze processpinnen zijn in de loop van honderden miljoenen jaren geëvolueerd, maar we hebben het tot nu toe niet kunnen kopiëren."
De in het laboratorium gemaakte vezels zijn gemaakt van een materiaal dat een hydrogel wordt genoemd, dat voor 98 procent uit water en voor 2 procent uit siliciumdioxide en cellulose bestaat. De laatste twee worden samengehouden door cucurbiturils, moleculen die als "handboeien" dienen. De silicium- en cellulosevezels kunnen worden getrokken van de hydrogel. Na ongeveer 30 seconden verdampt het water en blijft alleen de sterke, rekbare draad achter.
De vezels zijn extreem sterk - hoewel niet zo sterk als de sterkste spinnenzijde - en, aanzienlijk, ze kunnen worden gemaakt bij kamertemperatuur zonder chemische oplosmiddelen. Dit betekent dat als ze op schaal kunnen worden geproduceerd, ze een voordeel hebben ten opzichte van andere synthetische vezels zoals nylon, die extreem hoge temperaturen vereisen voor het spinnen, waardoor textielproductie een van de smerigste industrieën ter wereld is. De kunstmatige spinzijde 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, kan het mogelijk worden gebruikt als een beschermende stof.
"Spinnen hebben die absorptiecapaciteit nodig, want wanneer een vogel of een vlieg hun web raakt, moet hij dat kunnen absorberen, anders gaat het breken", zegt Shah. "Dus dingen zoals granaatscherven of andere beschermende militaire kleding, dat zou een spannende toepassing zijn."
Andere mogelijke toepassingen zijn zeildoek, parachutestof, luchtballonmateriaal en fiets- of skateboardhelmen. Het materiaal is biocompatibel, wat betekent dat het in het menselijk lichaam kan worden gebruikt voor dingen zoals hechtingen.
De vezels kunnen ook op een aantal interessante manieren worden gemodificeerd, zegt Shah. Het vervangen van de cellulose door verschillende polymeren zou de zijde in een geheel ander materiaal kunnen veranderen. De basismethode kan worden gerepliceerd om versies van veel stoffen te produceren die weinig warmte nodig hebben, zonder chemische oplosmiddelen.
"Het is een generieke methode om alle vezels te maken, om elke vorm van [kunstmatige] vezel groen te maken, " zegt Shah.
Shah en zijn team zijn verre van de enige wetenschappers die werken aan het maken van kunstmatige spinzijde. In tegenstelling tot zijderupsen, die kunnen worden gekweekt voor hun zijde, zijn spinnen kannibalen die de nauwe kwartalen die nodig zijn voor de landbouw niet zouden tolereren, dus naar het laboratorium gaan is de enige manier om aanzienlijke hoeveelheden van het materiaal te krijgen. Elke paar jaar brengt het nieuws over nieuwe wegen in het proces. Een Duits team heeft E-coli-bacteriën aangepast om spider-silk-moleculen te produceren. Wetenschappers van de Utah State University fokten genetisch gemodificeerde "spingeiten" om zijde-eiwitten in hun melk te produceren. Het Amerikaanse leger test "drakenzijde" geproduceerd via gemodificeerde zijderupsen voor gebruik in kogelvrije vesten. Eerder dit jaar publiceerden onderzoekers van het Karolinska Instituut in Zweden een paper over een nieuwe methode voor het gebruik van bacteriën om spinnenzijde-eiwitten op een potentieel duurzame, schaalbare manier te produceren. En dit voorjaar debuteerde in Californië gevestigde startup Bolt Threads bio-ontworpen spinnen zijden stropdassen op het SXSW-festival. Hun product wordt gemaakt door een gistfermentatieproces dat zijde-eiwitten produceert, die vervolgens een extrusieproces ondergaan om vezels te worden. Het is veelbelovend genoeg om een partnerschap met outdoor-fabrikant Patagonië te hebben gegenereerd.
Maar, zoals een 2015 Wired- verhaal aangeeft, "tot nu toe heeft elke groep die probeerde om genoeg van het spul te produceren om het naar de massamarkt te brengen, van onderzoekers tot gigantische bedrijven, vrijwel gefaald."
Dit is de uitdaging waarmee Shah en zijn team nu worden geconfronteerd.
"Momenteel maken we ongeveer enkele tientallen milligrammen van deze materialen en halen er vervolgens vezels uit", zegt hij. "Maar we willen proberen dit op een veel grotere schaal te doen."
Om dit te doen, werkt het team aan een robotapparaat om vezels sneller en op grotere schaal dan voorheen te trekken en te draaien. Ze hebben enig succes gehad, zegt Shah, en blijven het proces verkennen.
"We zijn nog in de vroege stadia van het onderzoek", zegt hij.
De bevindingen van het team werden onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .
