Revoluční materiál z hedvábí: Bez chemie je silnější než dřevo a konkuruje Kevlaru

Vědci z Tufts University, Imperial College London a University of Michigan vyvinuli inovativní metodu, jak přeměnit přírodní hedvábí v ultrapevný materiál. Klíčem je řízené teplo a tlak, které umožňují spojit hedvábné vlákno bez jeho rozpouštění nebo použití syntetických přísad.

Vědci z Tufts University, Imperial College London a University of Michigan vyvinuli inovativní metodu, jak přeměnit přírodní hedvábí v ultrapevný materiál. Klíčem je řízené teplo a tlak, které umožňují spojit hedvábné vlákno bez jeho rozpouštění nebo použití syntetických přísad. Výsledný materiál se svou pevností a houževnatostí vyrovná pokročilým kompozitům, přičemž zůstává biokompatibilní a nastavitelný pro medicínské aplikace.

Namísto rozkládání hedvábí na proteiny a jeho opětovné syntézy tým přímo spojil zarovnaná hedvábná vlákna. Tento proces zachovává velkou část původní molekulární struktury hedvábí, což umožňuje finálnímu materiálu udržet si přirozenou pevnost vláken. Podle výzkumníků překonalo takto upravené hedvábí materiály jako kost nebo dřevo v pevnosti v tahu a přiblížilo se vlastnostem Kevlaru. Prokázalo také vyšší odolnost proti balistickému nárazu než některé kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny.

„Při běžných procesech se přírodní vlákna rozkládají na jednotlivé fibroinové proteiny hedvábí, než se zpracují do nových tvarů, čímž ztrácíme velkou část inherentní pevnosti původních vláken,“ vysvětlila Chunmei Li, odborná asistentka na Tufts School of Engineering. „S touto novou metodou není potřeba hedvábí rozpouštět – jednoduše zarovnáme vlákna a aplikujeme teplo a tlak, a ta se v jednom kroku spojí.“

Materiál se vyrábí z komerčně dostupných vláken z kokonů bource morušového, která se používají v textilní výrobě. Vědci nejprve odstranili sericin, lepkavý povlak kolem vláken, pomocí mírného roztoku uhličitanu sodného. Vlákna byla poté zarovnána a lisována za pečlivě kontrolovaných teplot a tlaků. Během zahřívání změkly pohyblivější části proteinové struktury hedvábí natolik, aby se sousední vlákna spojila, zatímco krystalické oblasti zodpovědné za pevnost a pružnost zůstaly zachovány. Optimální rozsah zpracování byl zjištěn mezi 125 a 215 stupni Celsia a tlaky v rozmezí 1 900 až 9 800 atmosfér. Příliš málo tepla nebo tlaku vedlo ke slabším strukturám, zatímco nadměrné teploty způsobily křehkost materiálu. Finální struktura mikroskopicky připomíná dřevo, s zarovnanými svazky vláken spojenými tak, aby účinně rozkládaly napětí.

Tým také testoval tavené hedvábí pro biomedicínské aplikace. Studie na zvířatech ukázaly, že materiál vyvolal pouze mírné imunitní reakce, které se časem snižovaly. Vědci zjistili, že rychlost degradace materiálu lze řídit úpravou podmínek zpracování. Méně hustě spojené verze umožnily postupné pronikání buněk, zatímco hustší formy odolávaly rozkladu a zůstaly stabilní po delší dobu. Díky své pevnosti a biokompatibilitě by materiál mohl být v budoucnu použit v ortopedických implantátech, jako jsou destičky, šrouby a fixační zařízení pro zlomeniny kostí. Vědci z University of Michigan navíc objevili, že tavené hedvábí dokáže polarizovat terahertzové záření, které se používá v letištních skenerech, lékařském zobrazování a systémech pro detekci chemikálií. Tato vlastnost by mohla podpořit budoucí komunikační technologie 6G, schopné přenášet data mnohem rychleji než dnešní sítě 5G. Studie byla publikována v časopise Nature Sustainability.