Паучий шелк - один из самых впечатляющих природных материалов, демонстрирующий впечатляющую прочность и ударную вязкость. Теперь исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе утверждают, что создали искусственную версию, которая может превзойти некоторые натуральные шелка пауков.
Это не первое родео для этой исследовательской группы - еще в 2018 году они разработали синтетический паучий шелк, который был примерно на одном уровне с реальным с точки зрения прочности на разрыв, растяжимости и ударной вязкости. Для этого они встроили гены, производящие шелк в бактерии и настроили их так, чтобы белки в шелке сплавлялись вместе, чтобы сделать более прочный материал.
Новое исследование команда построила на этой предыдущей работе, чтобы не просто соответствовать натуральному паучьему шелку, но и превзойти его. Ключевым компонентом являются бета-нанокристаллы, которые повышают прочность материала, но их трудно воспроизвести синтетически.
«Пауки придумали, как скручивать волокна с желаемым количеством нанокристаллов», - говорит Фучжун Чжан, ведущий исследователь исследования. «Но когда люди используют процессы искусственного прядения, количество нанокристаллов в синтетическом шелковом волокне часто ниже, чем в его натуральном аналоге».
Поэтому исследователи снова засучили рукава и повозились с расположением белков в шелке. На этот раз они добавили новые амилоидные последовательности, которые, как правило, имеют тенденцию производить больше бета-нанокристаллов, при этом используя меньше повторяющихся аминокислотных последовательностей, что облегчает их производство бактериями.
Конечным результатом был гибридный полимерный амилоидный белок, содержащий 128 повторяющихся единиц. Это меньше, чем 192 в предыдущей работе команды, но бета-нанокристаллы более чем компенсируют потерю прочности, которую это могло бы принести.
Изображение волокна нового синтетического шелка под микроскопом. Фото: Jingyao Li
В ходе испытаний новый синтетический шелк показал средний предел прочности на разрыв около 1 гигапаскаль (ГПа) и среднюю ударную вязкость около 161 мегаджоулей на м3. Эта комбинация превосходит большинство синтетических шелков, а также некоторые натуральные, в том числе шелка изящных прядильщиков паутины, таких как пауки рода Nephila и пауки вида Argiope trifasciata.
Сравнение нового синтетического шелка паука (обозначен красным цветом) с рядом других синтетических и натуральных шелков. Фото: Jingyao Li
И команда говорит, что есть еще много возможностей для улучшения. Они работали только с тремя амилоидными последовательностями, а это значит, что лучшие свойства могут скрываться среди тысяч других, ожидающих изучения.
Исследование было опубликовано в журнале ACS Nano.
Источник: New Atlas / Washington University in St. Louis
