Ερευνητές δημιούργησαν τον ιστό του Άγριου Δυτικού

Κάθε παιδί που έχει διαβάσει ένα κόμικ ή έχει παρακολουθήσει μια ταινία του Spider-Man έχει προσπαθήσει να φανταστεί πώς θα ήταν να εκτοξεύει έναν ιστό από τον καρπό του, να πετάει πάνω από δρόμους και να πιάνει κακοποιούς. Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Tufts πήραν στα σοβαρά αυτές τις φανταστικές σκηνές και δημιούργησαν την πρώτη τεχνολογία εκτόξευσης ιστού στην οποία ένα ρευστό υλικό μπορεί να εκτοξευτεί από μια βελόνα, να στερεοποιηθεί αμέσως ως σπάγκος και να προσκολληθεί και να σηκώσει αντικείμενα.

Αυτές οι κολλώδεις ίνες, που δημιουργήθηκαν στο Silklab του Πανεπιστημίου Tufts, προέρχονται από κουκούλια μεταξοσκώρων, τα οποία βράζονται σε διάλυμα και διασπώνται στην πρωτεΐνη που αποτελεί το δομικό τους συστατικό και ονομάζεται ιμπροΐνη. Το διάλυμα της μεταξωτής ινωδίνης μπορεί να εξωθείται μέσω βελόνων στενής οπής για να σχηματιστεί ένα ρεύμα που, με τα κατάλληλα πρόσθετα, στερεοποιείται σε ίνα όταν εκτίθεται στον αέρα.

Φυσικά, η Φύση αποτελεί την αρχική έμπνευση για την ανάπτυξη ινών μεταξιού σε δέστρες, ιστούς και κουκούλια. Οι αράχνες, τα μυρμήγκια, οι σφήκες, οι μέλισσες, οι πεταλούδες, οι σκώροι, τα σκαθάρια, ακόμη και οι μύγες μπορούν να παράγουν μετάξι σε κάποιο σημείο του κύκλου ζωής τους. Η Φύση ενέπνευσε επίσης το Silklab να πρωτοπορήσει στη χρήση της μεταξωτής ινοβίνης για την παρασκευή ισχυρών κολλών που μπορούν να λειτουργήσουν υποβρυχίως, εκτυπώσιμων αισθητήρων που μπορούν να εφαρμοστούν σχεδόν σε οποιαδήποτε επιφάνεια, βρώσιμων επικαλύψεων που μπορούν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής των προϊόντων, ενός υλικού συλλογής φωτός που θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση των ηλιακών panels και πιο βιώσιμων μεθόδων κατασκευής μικροτσίπ.

Ωστόσο, ενώ σημείωσαν σημαντική πρόοδο με τα υλικά που βασίζονται στο μετάξι, οι ερευνητές δεν είχαν ακόμη καταφέρει να αναπαράγουν τη δεξιοτεχνία των αραχνών, οι οποίες μπορούν να ελέγχουν τη δυσκαμψία, την ελαστικότητα και τις συγκολλητικές ιδιότητες των νημάτων που πλέκουν.

Μια σημαντική ανακάλυψη προέκυψε εντελώς τυχαία. «Εργαζόμουν σε ένα project για την κατασκευή εξαιρετικά ισχυρών συγκολλητικών ουσιών με χρήση μεταξωτής ινοβίνης και ενώ καθάριζα τα γυάλινα σκεύη μου με ασετόν, παρατήρησα ότι στον πυθμένα του γυαλιού σχηματιζόταν ένα υλικό που έμοιαζε με ιστό», δήλωσε ο Marco Lo Presti, βοηθός καθηγητή στο Tufts.

Η τυχαία ανακάλυψη ξεπέρασε αρκετές τεχνικές προκλήσεις για την αντιγραφή των νημάτων αράχνης. Τα διαλύματα ινώδους μεταξιού μπορούν να σχηματίσουν αργά μια ημιστερεά υδρογέλη σε διάστημα ωρών όταν εκτίθενται σε οργανικούς διαλύτες όπως η αιθανόλη ή η ακετόνη, αλλά η παρουσία ντοπαμίνης, η οποία χρησιμοποιείται για την παρασκευή των συγκολλητικών ουσιών, επέτρεψε τη διαδικασία στερεοποίησης να συμβεί σχεδόν αμέσως. Όταν το ξέπλυμα με τον οργανικό διαλύτη αναμίχθηκε γρήγορα, το διάλυμα μεταξιού δημιούργησε γρήγορα ίνες με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό και κολλητικότητα. Η ντοπαμίνη και τα πολυμερή της χρησιμοποιούν την ίδια χημεία που χρησιμοποιούν οι αχιβάδες για να σχηματίσουν ίνες που κολλάνε επίμονα σε επιφάνειες.

Το επόμενο βήμα ήταν η περιστροφή των ινών στον αέρα. Οι ερευνητές πρόσθεσαν ντοπαμίνη στο διάλυμα μεταξωτής ινοβίνης, η οποία φαίνεται να επιταχύνει τη μετάβαση από υγρό σε στερεό τραβώντας το νερό μακριά από το μετάξι. Όταν εκτοξεύεται μέσω μιας ομοαξονικής βελόνας, ένα λεπτό ρεύμα του διαλύματος μεταξιού περιβάλλεται από ένα στρώμα ακετόνης που προκαλεί τη στερεοποίηση. Η ακετόνη εξατμίζεται στον αέρα, αφήνοντας μια ίνα προσκολλημένη σε οποιοδήποτε αντικείμενο με το οποίο ήρθε σε επαφή. Οι ερευνητές ενίσχυσαν το διάλυμα μεταξωτής ίνας-ντοπαμίνης με χιτοζάνη, ένα παράγωγο του εξωσκελετού των εντόμων που έδωσε στις ίνες έως και 200 φορές μεγαλύτερη αντοχή στον εφελκυσμό, και ρυθμιστικό διάλυμα βορικού άλατος, το οποίο αύξησε τη συγκολλητικότητά τους περίπου 18 φορές. Η διάμετρος των ινών μπορούσε να κυμαίνεται μεταξύ της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας και περίπου μισού χιλιοστού, ανάλογα με την οπή της βελόνας.

Η συσκευή μπορεί να εκτοξεύσει ίνες που μπορούν να σηκώσουν αντικείμενα πάνω από 80 φορές το βάρος τους υπό διάφορες συνθήκες. Οι ερευνητές το απέδειξαν αυτό σηκώνοντας ένα κουκούλι, μια ατσάλινη βίδα, έναν εργαστηριακό σωλήνα που επιπλέει στο νερό, ένα νυστέρι μερικώς θαμμένο στην άμμο και ένα ξύλινο μπλοκ από απόσταση περίπου 12 εκατοστών.

Ο Lo Presti σημείωσε ότι «αν κοιτάξετε τη Φύση, θα διαπιστώσετε ότι οι αράχνες δεν μπορούν να εκτοξεύσουν τον ιστό τους. Συνήθως περιστρέφουν το μετάξι από τον αδένα τους, έρχονται σε φυσική επαφή με μια επιφάνεια και σχεδιάζουν τις γραμμές για να κατασκευάσουν τον ιστό τους. Εμείς επιδεικνύουμε έναν τρόπο για να εκτοξεύσουμε μια ίνα από μια συσκευή, στη συνέχεια να προσκολληθούμε σε ένα αντικείμενο και να το μαζέψουμε από απόσταση. Αντί να παρουσιάσουμε αυτό το έργο ως ένα υλικό εμπνευσμένο από βιολογικά στοιχεία, είναι στην πραγματικότητα ένα υλικό εμπνευσμένο από υπερήρωες».

Το φυσικό μετάξι αράχνης εξακολουθεί να είναι περίπου 1000 φορές ισχυρότερο από τις τεχνητές ίνες σε αυτή τη μελέτη. Αλλά με λίγη πρόσθετη φαντασία και μηχανική, η καινοτομία θα συνεχίσει να βελτιώνεται και να ανοίγει το δρόμο για ποικίλες τεχνολογικές εφαρμογές.

«Ως επιστήμονες και μηχανικοί, κινούμαστε στα όρια μεταξύ φαντασίας και πρακτικής. Εκεί συμβαίνει όλη η μαγεία», δήλωσε ο Fiorenzo Omenetto, καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Tufts και διευθυντής του Silklab. «Μπορούμε να εμπνευστούμε από τη Φύση. Μπορούμε να εμπνευστούμε από τα κόμικς και την επιστημονική φαντασία. Σε αυτή την περίπτωση, θέλαμε να αντιστρέψουμε το μεταξωτό υλικό μας ώστε να συμπεριφέρεται όπως το σχεδίασε αρχικά η Φύση και το φαντάστηκαν οι συγγραφείς κόμικς».

Να ένα καλό δώρο για τα Χριστούγεννα…

[via]