Hitzegepresste Seide übertrifft Holz und erreicht fast Kevlar-Stärke

Die Forscher gaben an, dass das verschmolzene Seidengerüst in Bezug auf Zugzähigkeit Materialien wie Knochen und Holz übertrifft und der Kevlar sehr nahe kommt.

Es zeigte zudem eine höhere Ballistik-Prallfestigkeit als einige kohlenstofffaserverstärkte Polymerkomposite. „Der Prozess zersetzt die natürlichen Fasern in einzelne Seidenfibroin-Proteine, bevor sie zu neuen Formen verarbeitet werden; dabei gehen wir einen Großteil der ursprünglichen Fasereigenschaften verloren", sagte Chunmei Li, Assistenzprofessorin an der Tufts School of Engineering. „Mit dieser neuen Methode ist es nicht nötig, die Seide aufzulösen – wir richten die Fasern lediglich aus und setzen Hitze sowie Druck ein, sodass sie sich in einem Schritt verbinden."Wiederaufbau der SeidenfestigkeitDas Material basiert auf handelsüblichen Kokonfasern des Seidenspinners, die in der Textilherstellung verwendet werden.

Die Forscher entfernten zunächst Sericin, die klebrige Hülle um die Fasern, mittels einer milden Natriumcarbonatlösung. Anschließend wurden die Fasern ausgerichtet und unter sorgfältig kontrollierter Temperatur und Druck heißgepresst.

Was die Studie zeigt

Während des Aufheizens erweichten sich die beweglicheren Bereiche der Seidenproteinstruktur ausreichend, um benachbarte Fasern zu verbinden, während die kristallinen Bereiche, die für Festigkeit und Flexibilität verantwortlich sind, erhalten blieben. „Die Seide verhält sich wie ein Verbundwerkstoff", sagte David Kaplan, Stern Family Endowed Professor of Engineering an der Tufts University. „Es gibt eine beweglichere, amorphe Phase der Faserproteine, und es gibt den Teil der Protein-Kette, der sich falten und flächenartige Oberflächen bilden, die sich zu kristallinen Strukturen stapeln." Die Forscher stellten ein optimales Prozessfenster zwischen 257 und 419 Grad Fahrenheit und Drücken im Bereich von 1.900 bis 9.800 Atmosphären fest.

Zu wenig Hitze oder Druck führte zu schwächeren Strukturen, während übermäßige Temperaturen das Material spröde machten. Die endgültige Struktur ähnelt auf mikroskopischer Ebene Holz, wobei ausgerichtete Faserbündel miteinander verbunden sind, um Spannungen effizient zu verteilen.

Nach Angaben der Forscher trägt diese hierarchische Struktur zur ungewöhnlichen Kombination aus Zähigkeit und Haltbarkeit des Materials bei. Auf den menschlichen Körper abgestimmtDas Team untersuchte zudem geschmolzene Seide für biomedizinische Anwendungen.

Was die Studie zeigt

Tierversuche zeigten, dass das Material nur milde Immunreaktionen auslöste, die sich im Laufe der Zeit verringerten. Die Forscher stellten fest, dass sie die Geschwindigkeit des Materialabbaus durch Anpassung der Verarbeitungsbedingungen steuern können.

Versionen mit geringerer Fusionsdichte ermöglichten es den Zellen, sich allmählich einzudringen, während dichtere Formen einem Abbau widerstanden und über längere Zeiträume stabil blieben. „Wir können steuern, wie schnell das Material unter den jeweiligen Bedingungen abbaut", sagte Li.

Die Forscher glauben, dass das Material aufgrund seiner Festigkeit und Biokompatibilität zukünftig in orthopädischen Implantaten wie Platten, Schrauben und Fixationsgeräten für Knochenbrüche eingesetzt werden könnte.

Was die Studie zeigt

Wissenschaftler der University of Michigan entdeckten zudem, dass gefusierter Seidenstoff Terahertz-Strahlung polarisieren kann, die in Flughafenscannern, der medizinischen Bildgebung und chemischen Detektionssystemen verwendet wird.

Das Team erklärte, dass diese Eigenschaft zukünftige 6G-Kommunikationstechnologien unterstützen könnte, die Daten deutlich schneller übertragen können als heutige 5G-Netzwerke. Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Sustainability veröffentlicht.