Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • TechWeek
  • Биомолтекст2020
  • vsh25

Шёлк с добавкой графена и нанотрубок

Шелкопряды съели графен и сделали шёлковую нить, которая проводит электричество

Анатолий Ализар, Geektimes

silk1.jpg

Тутовый шелкопряд – относительно крупная одомашненная бабочка, которую китайцы как минимум 5000 лет используют для производства шёлка (вероятно, после нескольких столетий или тысячелетий селекции). Долгое время Китай был мировым монополистом, поставляя красивую ткань в Европу по торговому пути, который назвали Шёлковым путём. Потом византийцы выкрали яйца шелкопряда, а затем и европейцы добыли их благодаря крестовым походам.

Впрочем, здесь не о хитрых китайцах с их тысячелетними бизнес-планами, а об уникальном материале, которым является шёлк сам по себе. Это натуральный белок, один из самых прочных в природе. Волокно состоит на 75% из фиброина и на 25% из серицина. Под микроскопом заметны две параллельно идущие нити фиброина с комкообразными налётами серицина. Кроме них, в шёлке присутствуют воски и жиры, а также минеральные вещества. Ширина шёлковой нити 32 мкм, длина может достигать 1,5 километров. Разрывное напряжение около 40 кгс/мм2.

Шёлк – выдающийся материал, и учёные предпринимали неоднократные попытки улучшить шёлковое волокно с помощью различных функциональных компонентов, таких как краски, флуоресцентные протеины, антимикробные средства, наночастицы металлов/полупроводников, а также электропроводящие полимеры.

Для модификации шёлкового волокна применяется две основные стратегии: модификация готовой нити и обогащение материала в процессе его производства (пищеварения) внутри шелкопряда. Первый из этих техпроцессов довольно сложный, многоэтапный и требует применения ядовитых реагентов. Для сравнения, недавно изобретённый способ обогащения шёлка внутри шелкопряда – вполне экологически чистый и относительно простой процесс. Нужно только посадить шелкопрядов на диету.

Учёные с химического факультета и центра нано- и микромеханики Университета Цинхуа (Пекин) предложили новый способ обогащения шёлкового волокна с помощью углеродных нанотрубок и графена.

Углеродные нанотрубки и графен обладают великолепными механическими характеристиками и широко используются в производстве высокопрочных материалов. Было несколько попыток добавить углеродные нанотрубки в шёлк путём модификации готовой нити или добавления в рацион шёлкопрядов. Похожие опыты проводились с пауками. В прошлом эксперименте шелкопрядам скармливали многостенные нанотрубки диаметром около 30 нм. Сейчас китайские учёные логично предположили, что для пищеварительной системы шелкопрядов и внедрения в структуру фиброина гораздо более приемлемыми окажутся не многостенные, а одностенные нанотрубки диаметром около 1-2 нм. Забегая вперёд, они не ошиблись.

Кроме одностенных нанотрубок, учёные решили скормить шелкопрядам ещё и графен, тоже потенциальный упрочнитель. Чтобы скормить материалы животным, учёные применили простой метод: они распылили взвесь с одностенными нанотрубками и графеном на листья шелковицы, которыми питаются шелкопряды – а потом собрали продукт из кокона.

Опыт завершился успехом. Диета шелкопрядов с добавками одностенных нанотрубок и графена привела к получению шёлковой нити с улучшенными свойствами. Нить получена естественным натуральным путём из кокона, как и обычная шёлковая нить.

Учёные изучили спектры комбинационного рассеяния шёлкового волокна и экскрементов шелкопрядов – и подтвердили в обоих случаях внедрение углеродных нанотрубок в шёлковое волокно. Они также проверили, насколько изменились свойства волокна после внедрения углеродных нанотрубок.

silk2.jpg

На иллюстрациях показана схема эксперимента, фотографии коконов, полученных после кормления шелкопрядов листьями шелковицы с нанесённой взвесью нанотрубок концентрацией по массе 0,2% и 1,0% и взвесью графена с концентрацией 0,2% и 2,0%. Показаны фотографии со сканирующего электронного микроскопа для каждого образца шёлковой нити и диаграмма с характеристиками растяжимости нити

Другие механические характеристики улучшенных шёлковых волокон показаны в таблице: разрывное напряжение, максимальное растяжение до разрыва и модуль упругости.

silk3.gif

Как понятно из таблицы, предстоит провести ещё ряд экспериментов, чтобы найти оптимальную концентрацию углеродных нанотрубок и графена в диете шелкопрядов, чтобы у них получались нити большей прочности. Мы видим, что диета с более слабой концентрацией SWNT1-S и GR1-S привела к производству волокна с гораздо лучшими свойствами, чем диета с более высокой концентрацией SWNT2-S и GR2-S.

silk4.jpg

Неудивительно, что после добавления графена и углеродных нанотрубок шёлковая нить стала проводником электричества. У лучшего образца шёлка с частицами графена электрическая проводимость составила довольно высокие 120 сименс на сантиметр. 

Такой шёлк можно использовать в электронике. Удобно запитывать носимые гаджеты, вшитые прямо в шёлковую одежду. Собственно, и светящуюся ткань сделать достаточно просто.

На приведенных ниже фотографиях с просвечивающего электронного микроскопа хорошо видно, что шёлковые волокна с глеродными нанотрубками (посередине) и графеном (внизу) гораздо лучше структурированы, чем обычный шёлк (вверху).

silk5.jpg

Научная статья опубликована 13 сентября 2016 года в журнале Nano Letters (Wang et al., Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers).

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 18.10.2016


Читать статьи по темам:

нанобиология Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Нанотехнологии в биологии и медицине

Физик Михаил Ходорковский – о механизмах взаимодействия белков с ДНК и РНК, нанотехнологиях в медицине и «лазерном пинцете».

читать

Бактерии вращают микророторы

Расчёты учёных показывают, что поток, создаваемый бактериями, может генерировать постоянную механическую энергию за счёт вращения массива микророторов.

читать

Самособирающийся белковый икосаэдр

Такие молекулы, чья форма соответствует оболочкам многих вирусов, могут применяться в качестве транспорта для доставки лекарств и других активных веществ в раковые клетки.

читать

Новый метод создания ДНК-оригами

Компьютерная программа DAEDALUS вычисляет, какие нуклеотидные цепочки требуются для создания заданной формы. Синтезированные олигонуклеотиды в растворе сами собираются в нужную форму.

читать

Нанотермометры из ДНК

Миниатюрные (длиной в 5 нм и в 20 000 раз тоньше волоса) высокоточные термометры будут полезны не только для изучения работы клеток, но и при разработке микросхем.

читать