Quando si tratta di inventare il complesso mix di molecole che compongono le fibre di seta naturale, la natura batte a mani basse l'ingegneria umana. Nonostante gli sforzi per sintetizzare il materiale, le varietà artificiali ancora non possono eguagliare la forza della fibra naturale.

Ma partendo dalla seta prodotta dai bachi da seta, scomponendolo chimicamente, e poi rimontandolo, gli ingegneri hanno scoperto di poter realizzare un materiale che è più del doppio più rigido della sua controparte naturale e può essere modellato in strutture complesse come reti e reticoli.

Il nuovo materiale è soprannominato fibra di seta rigenerata (RSF) e potrebbe trovare una miriade di applicazioni in ambienti commerciali e biomedici, dicono i ricercatori. I risultati sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo del professore di ingegneria McAfee Markus Buehler, postdoc Shengjie Ling, scienziato ricercatore Zhao Qin, e altri tre alla Tufts University.

Alcuni tipi di seta prodotti dai ragni sono tra i materiali più resistenti conosciuti, Libra per libra. Ma a differenza dei bachi da seta, i ragni non possono essere allevati per produrre le fibre in quantità utili. Vari ricercatori, tra cui Buehler e i suoi collaboratori, hanno invece tentato di produrre seta puramente sintetica, ma quegli sforzi non hanno ancora prodotto fibre che possano eguagliare la forza delle versioni naturali.

Anziché, il team ha ora sviluppato un modo per sfruttare le migliori qualità della seta naturale prodotta dai bachi da seta, mentre lo lavora in un modo che lo rende più forte e apre un'ampia varietà di nuove forme e strutture che non potrebbero mai essere formate dalla seta naturale.

La chiave è abbattere la seta naturale, ma non troppo, dice la squadra. Questo è, dissolvono i bozzoli costruiti dai bachi da seta, non al punto che la struttura molecolare del materiale si scompone ma piuttosto in una forma intermedia composta da microfibrille. Questi piccoli, gli assemblaggi filiformi conservano alcune delle importanti strutture gerarchiche che conferiscono alla seta la sua forza.

Buehler, chi è il capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, paragona questo riciclaggio di materiali all'abbattimento di una vecchia casa di mattoni. Invece di buttare giù la casa in un mucchio di macerie, però, i singoli mattoni vengono accuratamente separati e quindi utilizzati per costruire una nuova struttura. "La natura è ancora più brava a fare le microstrutture" che, come dimostrato in alcune delle sue precedenti ricerche, sono responsabili della rigidità unica della seta, proprietà elastiche, lui dice. "In questo caso, sfruttiamo ciò che la natura offre."

Sebbene il filo di seta e il tessuto siano costosi, il costo del materiale deriva principalmente dal processo ad alta intensità di lavoro di dipanare il filo dal bozzolo e tesserlo, non dalla produzione effettiva dei bachi da seta e dei loro bozzoli, che sono abbastanza economici, spiega Ling. All'ingrosso, i bozzoli di bachi da seta non lavorati costano solo circa $ 5 per chilogrammo (2,2 libbre), lui dice.

Scomponendo la seta e poi estrudendola attraverso una minuscola apertura, i ricercatori hanno scoperto che potevano produrre una fibra due volte più rigida della seta convenzionale e che si avvicinava alla rigidità della seta del ragno. Questo processo potrebbe aprire una serie di possibilità per nuovi usi. Per esempio, la seta è una sostanza naturalmente biocompatibile che non produce reazioni avverse nel corpo, quindi il nuovo materiale potrebbe essere ideale per applicazioni come suture mediche, o impalcature per la crescita di nuova pelle o altri biomateriali.

Il metodo consente inoltre ai ricercatori di modellare il materiale in modi che non potrebbero mai essere duplicati dalla seta naturale. Potrebbe essere formato, Per esempio, nelle maglie, tubi, fibre molto più spesse della seta naturale, bobine, fogli e altre forme. "Non siamo soddisfatti di ciò che fanno [i bachi da seta], " Buehler dice. "Vogliamo creare i nostri nuovi materiali".

Tali forme possono essere create utilizzando il materiale ricostituito in una sorta di sistema di stampa 3D personalizzato per soluzione di seta, dice Qin. E un vantaggio del nuovo processo è che può essere eseguito utilizzando tecnologie di produzione convenzionali, quindi scalarlo fino a quantità commerciali non dovrebbe essere difficile. Le proprietà specifiche della fibra, compresa la sua rigidità e tenacità, può essere controllato secondo necessità semplicemente variando la velocità del processo di estrusione.

Queste fibre ricostituite sono anche molto sensibili a diversi livelli di umidità, e possono essere resi elettricamente conduttivi aggiungendo un sottile rivestimento di un altro materiale come uno strato di nanotubi di carbonio. Ciò potrebbe consentire il loro utilizzo in una varietà di dispositivi di rilevamento, dove una superficie ricoperta da uno strato o rete di tali fibre potrebbe rispondere alla pressione di un dito, o alle variazioni delle condizioni ambientali.

Una possibile applicazione, Per esempio, potrebbe essere un lenzuolo fatto di tali fibre, dice Buehler. Tale lenzuolo potrebbe essere utilizzato nelle strutture di assistenza infermieristica per aiutare a evitare le piaghe da decubito monitorando la pressione e avvisando automaticamente gli operatori sanitari quando un paziente è rimasto disteso nella stessa posizione troppo a lungo con la pressione in una particolare area del corpo. Tali applicazioni potrebbero essere rese pratiche molto rapidamente, lui dice, poiché non rimangono ostacoli reali alla produzione di materiale adatto a tali usi.