A pókselyem új anyagok fejlesztésére inspirálja a mérnököket

Countless dewdrops at the spiderweb on a plant

A pókselyem a természet egyik legkifinomultabb alkotása, ráadásul az anyagot nemcsak hálószövésre lehet használni. Mindegyik funkcióhoz más szerkezet társul. Egyesült államokbeli kutatók most újabb előrelépést tettek a pókselyem titkainak felderítésében. A cellulózról is kiderült, hogy sok szempontból hasonlóan épül fel, mint a pókselyem.

A pókselyem tulajdonságai régóta lenyűgözik a kutatókat. Az egyik legerősebb, legnagyobb szakítószilárdságú anyaga. Ráadásul többféle feladatot képes ellátni. Lehet húzófonál, vezetőfonál, horgonykötél, kémiai vezető ösvény, fészekbélés, sőt még ennivaló is. Mindegyik funkcióhoz kicsit eltérő szerkezetű selyem társul.

Mindegyik selyemtípust ugyanazok a fehérjék építik fel, de az előállításuk módja különbözik”

– mondta Sinan Keten, a McCormick School of Engineering docense. „A pókok tudják milyen gyorsan gombolyítsák a fonalat, hogy különböző tulajdonságokat kapjanak. A természet okos. Képes egy szerkezetet úgy alakítani, hogy eltérő mechanikai tulajdonságai legyenek.”

Harmatcseppek a sűrű szövésű pókhálón Forrás: dpa Picture-Alliance/AFP/Romain Fellens

Új szintetikus modellek

A pókselyem csak az egyik biológiai anyag, amelyet Keten elemez a Nature Communications szakfolyóiratban megjelent új cikkében. A tengeri uborkáktól és a Vénusz-légycsapójától kezdve az emberi izmokig és a fákig a cikk feltárja azokat a stratégiákat, amelyet a biológia alkalmaz, hogy különböző funkciókat hozzon létre és az ezekben a funkciókban szerepet játszó mechanikai sajátosságokat.

Annak felderítése, hogyan és miért valósítják meg a biológiai rendszerek a megkívánt

statikus és dinamikus mechanikai funkcionalitást,

gyakran olyan alapelvekre is rávilágít, amelyek segítenek a biológiai rendszerekre alapozott új szintetikus modellek megvalósításában.

Az építőkövek elrendezésétől függ az anyag tulajdonsága

A cikk nagy része Keten fő kutatási területére, az úgynevezett nanobezártságra (nanoconfinement) fókuszál. A kifejezés azt írja le, hogyan lehetséges úgy szabályozni az anyag építőköveinek elrendezését a legkisebb szinten ahhoz, hogy valamilyen specifikus tulajdonságot hozzanak létre vele.

A fogalmat legjobban a pókselyem példáján világíthatjuk meg. Amikor a pók húzófonalat készít, akkor gyorsabban szövi azt, mint amikor hálót alkot.

Amikor gyorsabban sző, akkor a fonalat alkotó kristályok kisebbek, így erősebb anyag jön létre. Amikor a kristályok nagyok, a selyem kevésbé strukturált, és több hiba van benne.

Cellulóz nanokristályok Forrás: Purdue University image/Pablo Zavattieri

Golyóálló „üveg” cellulózból

A pókselyem után Keten figyelme mostanában a faágakban lévő cellulóz felé fordult.

„Ugyanazt látjuk a selyemben, amit a fában” – mondta Keten.

A kis kristályok előnyösebbek mint a nagyok.”

Ennek az lehet az oka, hogy a kisebb kristályokból felépülő anyagokban kevesebb a hiba, ezért erősebbek.

A csoport felfedezte, hogy nanoszinten a cellulózkristályok átlátszóak és olyan ellenállók, mint a Kevlar. Ezért úgy vélik, hogy utánzásukkal golyóálló „üveget” és szemüveget lehetne kifejleszteni.

A biológia csak inspirációt ad

Sosem másoljuk le egy az egyben a biológiai rendszert”

– mondta Keten. „Vegyük például a repülést. A madaraktól tanulhatunk aerodinamikai ismerteket, de nem tervezünk olyan repülőgépet, amilyen egy madár. Ugyanez igaz a pókselyemre is, amely nagyon szívós és erős anyag. Mégsem használjuk pontosan ugyanazokat az építőelemeket egy ember alkotta, ellenálló anyag kifejlesztéséhez. Más építőkockákat alkalmazunk, de ugyanolyan módszerekkel rendezzük el ezeket, amilyeneket a biológiából ellestünk.”