Mătase, elastic şi mai puternică decât oţelul!
Multumim Imagine de Richard Davies | Ar putea fi de mătase paianjen răspunsul la provocările medicale si militare? Giovanna Cicognani de la Institutul Laue-Langevin şi Capellas Montserrat de la Fondul european de radiaţii Synchrotron, Franţa, investiga Riekel creştine şi de cercetare Tilo Seydel lui în acest material remarcabil. |
Biomimetica este un subiect fierbinte în ştiinţa modernă, dar ideea că oamenii pot exploata design evolutiv nu este nimic nou. Mai mult de 400 de ani în urmă, Leonardo da Vinci a fost studiat păsări să inspire maşinile sale de zbor. Acum, oamenii de ştiinţă din Franţa sunt folosind tehnici de ultimă oră pentru a descoperi secretele de un material care a fost în jurul pentru mai mult de 150 de milioane de ani.
De secole, ne-am invidiat paianjeni pentru capacitatea lor de a crea pânze elegant. Deşi fragilă în aparenţă, aceste straturi subţiri poate opri insecte în timpul zborului şi sunt suficient de robuste pentru a restrânge pradă fără a rupe firele de mătase. Fire care alcătuiesc aceste structuri sunt remarcabile biopolimerilor. Cu toate acestea, spre deosebire de fibre polimerice, cum ar fi Kevlar ®, care se face prin forţarea un hot si acide soluţie de polimer sub presiune prin orificii mici (spinnerets) într-o baie de coagulare, urmată de spălare, de desen şi uscare etape, de mătase este produs la înconjurător temperatură şi tors din soluţie apoasă. Capacitatea unui spider-ului pentru a prinde insecte se datoreaza Amestec de mătase unica de proprietati mecanice: rezistenta, extensibilitatea (până la 30%) şi, cel mai important, tenacitate, sau rezistenta la rupere. Mătase paianjen pot fi de şase ori mai puternică decât oţelul de greutate, dar este duritatea ei care o face atat de special, în care îi permite să absoarbă o cantitate mare de energie fără să se rupă. Materiale artificiale, cum ar fi Kevlar sunt puternice, dar lipsa această specificitate. În plus, spre deosebire de Kevlar, mătase paianjen este biodegradabil şi reciclabil: atunci când repararea pânze lor, paianjeni mananca in mod frecvent părţilor deteriorate ale web-ului şi a absorbi substantele nutritive.
Aceste caracteristici speciale fac mătase de păianjen interes pentru multe domenii de cercetare diferite. Un polimer pe baza de mătase paianjen ar putea fi utilizate în medicină, ca o înaltă rezistenţă, non-toxic sutura, sau reparare ligament, deoarece fibra nu numai că nu cauciucului atunci când frecvent flexat, dar, de asemenea, poate rezista la impactul regulate si o mare presiune. Sectorul militar este investigheaza, de asemenea, acest material, deoarece capacitatea sa de a disipare a energiei ar putea face ideal pentru armuri usoare.
Dar, înainte de a putea produce şi utiliza matase artificiala paianjen, avem nevoie să înţelegem ceea ce conferă proprietăţile sale unice mecanice. Experimente recente de la Institutul Laue-Langevin (ILL) şi instrument european de Synchrotron Radiation (ESRF) din Grenoble, Franţa, au folosit imprastiere de neutroni şi radiaţii sincrotronul, pentru a investiga caracteristicile microscopice de mătase paianjen. Acest lucru a oferit cercetătorilor, cu o perspectiva noua in structura de mătase, care, la rândul conferă proprietăţile sale mecanice. Cele două tehnici, neutroni si radiatii sincrotron împrăştiere, se completează reciproc. Întrucât radiatii sincrotron, un tip de foarte mare energie de iradiere cu raze X W1, permite o fibra de matase unic care urmează să fie studiate ca acesta este un paianjen extrudate din viaţă, imprastiere de neutroni ne permite să identifice diferenţele în organizarea de proteine şi a accesibilităţii acestora la de apă, care are o influenţă puternică asupra proprietăţilor sale mecanice. Neutroni, spre deosebire de radiatii sincrotron, sunt împrăştiate în mod diferit de hidrogen normală a apei care conţin şi apă grea care conţin deuteriu. Prin expunerea o fibra de matase pentru a apei grele, se poate stabili de la modul în care se risipeşte neutronii tras la aceasta, care atomii de hidrogen au fost înlocuiţi cu atomi de deuteriu. Aceasta, la rândul său, oferă informaţii despre contextul chimice în care atomii sunt găsite.
| Rezultatele, obtinute printr-o ESRF comun şi echipa ILL, în colaborare cu Departamentul de Zoologie de la Universitatea din Oxford, Marea Britanie, a arătat că mătase paianjen este un material organizat ierarhic. Structura sa biopolimer compozit este fabricat din proteine, care sunt compuse aproape în întregime din motive repetitive format din amino-acizi, cum ar fi alanin si glicina. Motivele alanin formă cristalină domenii, care sunt separate de non-cristalin, glicină bogate domenii. | Nanofibril structura. Click aici pentru a vedea o imagine mai mare favoare imagine de Daniel Sapede |
Aceste domenii cristalin şi non-cristaline sunt organizate în nanofibrils, care sunt încorporate într-o matrice de proteine amorf. Oamenii de ştiinţă sunt încă dezbatem modul în care această structură rezultate uimitoare în proprietăţile mecanice de mătase paianjen: este din cauza "izvoare moleculare" în matrice de proteine amorfă sau la proprietăţile unei reţele amorf, întărită de domenii cristalin (vezi diagrama)?
Oamenii de stiinta au fost capabili să producă în mod artificial de mătase paianjen s-au proteine de ceva timp, iar acum am înţeles în mare, deşi incompletă detaliu, modul în care proteinele sunt organizate pentru a conferi rezistenta impresionanta de mătase paianjen. Cu toate acestea, este necesară continuarea eforturilor pentru a înţelege - şi să reproducă - mecanismul de agregare proteine si formarea de fibre. În păianjen, proteine de mătase sunt sintetizate şi secretate într-o glandă ca un fel de cristal lichid vâscos. Acest lichid este apoi împins printr-o conductă lungă la un cep la sfârşitul spinneret păianjen. Pe drum afară, un proces de ingrosare si schimbarea pH-ului modifica lichid vascos, care rezultă în agregare de proteine de mătase. Păianjen este chiar capabil de resorbţie şi de reciclare a apei în timpul procesului de îngroşare. Alţi factori, cum ar fi libera a corpului de păianjen, de asemenea, joacă un rol important în procesul de filare.
Exact cum aceşti factori interacţionează, şi modul în care acestea ar putea fi imitat de a produce matase artificiala păianjen în laboratoare, este o chestiune care continuă să ocupe oamenii de stiinta. La ESRF, institute şi alte ILL din întreaga lume, cercetarea biomimetic continuă într-o alternativă de om la unul din materialele cele mai remarcabile naturale - şi cu ea, o noua generatie de materiale mai ieftine şi mai ecologice.
Recenzie
Acest articol ar putea fi folosit în chimie, biologie şi fizică lecţii, pentru copii cu vârsta de 11-17. În special, aceasta se aplică de considerente de cristalografie, structuri zăbrele şi rolul de pH-ului în agregare proteine. Eric Demoncheaux, Marea Britanie
Referinţe web
w1 - "Pentru mai multe detalii despre modul Synchrotron radiaţii este folosit în cercetare, a se vedea:
Capellas M, Cornuéjols D (2006) Shipwreck: ştiinţa de a salvare! Science in School 1 : 26-29.
Resurse
ESRF (2006) Natura inspiră tehnologie. Newsletter ESRF, Issue 43, iunie.
Forbes P (2005) Foot Gecko lui. Londra, Regatul Unit: Estate a patra
Sapede D (2006) Contribuţii à la înţelegerea de la structura et de la Dynamique hiérarchiques du fil de Traine de l'araignée. Teza de doctorat. Grenoble, Franţa: Universitatea Joseph Fourier.
Vincent JFV (2007) este ingineria tradiţională sistemului de drept cu care a manipula lumea noastră? Science in School 4: 56-60.