Светещи паяжини и коприна с нанотръби: учените се подготвят да превърнат животните и растенията в заводи за производство на материали за бъдещето.
Инсектите и паяците са усъвършенствали способността си да тъкат нишки в продължение на стотици милиони години, които са изключително трайни и леки, биосъвместими и химически инертни. Жалко е, че използването им от човека в продължение на много години, е сведено до баналното производството на копринени тъкани.
Вземете паяжината – нейните свойства са съпоставими с най-добрите версии на кевлар и дори на влакна, допълнително укрепени с молекулни „възли“ върху полимерните вериги. Страхотни дрехи, трайни биоразградими торбички, хирургически струни и дори бронежилетки могат да се произведат от тази паяжина.
Свойствата й произтичат от сложната структура на паяжинната нишка. Белтъчните протеини, като например спидроин, се отделят от специални жлези и се състоят главно от аминокиселините глицин и аланин. Тъй като секретът се втвърдява във въздуха, малкият и подвижен глицин образува еластична и аморфна основна структура, докато аланинът е организиран в силни кристални домени, които могат допълнително да бъдат свързани със сулфидни мостове на сериновите аминокиселинни остатъци. Това е истински биокомпост, чиято сложна структура позволява да се постигнат уникални характеристики. Допълнителни молекули могат да бъдат включени в аморфната основа, което дава на тъканите нови свойства: например пиролидинът отблъсква мравките и в същото време активно абсорбира вода, поддържайки тъканта в оптимално хидратирано състояние.
Подсилване
Наличието на такива легиращи съединения не е необичайно за естествените полимери. Не е изненадващо, че учените се опитват да подобрят свойствата на паяжинната мрежа с изкуствени добавки – наночастици, въглеродни нанотръби, а дори и полупроводникови микрокристали от кадмиев телурид – покритие, което прави паяжината да флуорисцира. Като правило те просто се напръскват върху нишката. Не било възможно да се инжектират частици в структурата й, докато италианско-английския физик Никола Пуно не поръсил животните с вода с графенови люспи и нанотръби. През 2015 г. неговият екип успял да покаже, че такъв прост метод работи: необходимите добавки попадат в паяжината, като понякога увеличават нейната издръжливост и якостта й на опън. Този подход бе използван от китайски учени, използвали същия метод, за да получат влакна от коприна, два пъти по-здрави. Междувременно професор Пуно подобрил метода си и през септември 2017 г. публикувал резултатите от изучаването на нишките от дузина различни паяци, които се обработват с вода с едностранни нанотръби или графен, разреден в него. Максималните показатели на тази паяжина се оказали много по-добри от тези на естествената: благодарение на нанотръбите една от нишките успяла да издържи натоварване до 5400 MPa и да поеме до 1567 J/g енергия преди да се срине. „Естествената процедура за подсилване може да се използва и за други животни и растения“, твърдят Пуно и съавторите на неговата работа, „това ще доведе до появата на нов клас иновативни бионични композити“ – убедени са те.
Производство
Италиански професор се опитва да комбинира нано и биотехнологии за повече от година. Той дори патентовал метод за производство на порест каучук подсилен с нанотръби, в който се създават кухини чрез ферментацията на дрожди. Изглежда, че Пуно превъръща живите организми в екологично чисти фабрики за перспективни материали. Всъщност, биокомпостът, като например хитиновите зъби на коремоногите мекотели или паяжини, е по-добър от много изкуствени аналози и учените не са изоставили опитите си да създадат технологии за неговия промишлен синтез и модификация. От паяковите жлези те успяват да извлекат спидроин и да го използват за образуване на влакнести нишки, използвайки електростатични и други методи. Все пак, всички тези подходи са сложни, лабораторни и да се превърнат в икономически жизнеспособно производство, все още не е възможно.
На въпроса кои материали могат да бъдат подобрени по този начин, Никола Пуно отговоря: „Да, буквално всичко, включително естествена броня на бръмбарите, дървесината и др.“ Според учените такива решения не само ще позволят да се постигнат най-добрите свойства на материалите, но и да бъдат безопасни за употреба дори в медицината. Е, какво да кажем за увеличаване на силата на нашите кости чрез въвеждане на нанотръбички в тях? „Сега това звучи прекалено фантастично“, казва професор Пуно, – но между другото, никога не казвайте никога“.
Какви досега несъществуващи материали се очакват в близко бъдеще?
№ 1 Свръхпроводници
Има реална надежда за създаването на вещества, които запазват нулево съпротивление дори при обикновена температура и налягане. Изчисленията играят ключова роля при тяхното търсене – например, висококачественият свръхпроводник (-70° C), който беше първоначално теоретично предсказан от китайски учени.
№ 2 Термоелектрика – материали
Те са, които превръщат топлината в електричество. Употребата им е ограничена поради ниската ефективност. Ако е възможно да се увеличи ефективността най-малко два пъти, ще се отворят напълно нови ниши: термоелектриците ще събират паразитна топлина в леките автомобили и самолети и ще осигуряват облекло с „климатична система“. Изчисленията показват, че това е напълно възможно.
№ 3 Материали за фотокатализиране
При действието на светлината те влизат във възбудено състояние и могат да ускорят такива реакции, като например разпада на вода за производството на водород или синтезирането на „изкуствен газ“ от вода и СО2. Последствията са ясни – революция в енергийния сектор.
