seta di ragno, già noto come uno dei materiali più resistenti per il suo peso, risulta avere un'altra proprietà insolita che potrebbe portare a nuovi tipi di muscoli artificiali o attuatori robotici, ricercatori hanno trovato.

Le fibre elastiche, la squadra ha scoperto, rispondono molto fortemente ai cambiamenti di umidità. Al di sopra di un certo livello di umidità relativa nell'aria, si contraggono e si attorcigliano improvvisamente, esercitando una forza sufficiente per essere potenzialmente competitivi con altri materiali esplorati come attuatori, dispositivi che si muovono per svolgere alcune attività come il controllo di una valvola.

I risultati vengono riportati oggi sulla rivista Progressi scientifici , in un articolo del professor Markus Buehler del MIT, capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, insieme all'ex postdoc Anna Tarakanova e alla studentessa universitaria Claire Hsu al MIT; Dabiao Liu, professore associato presso la Huazhong University of Science and Technology di Wuhan, Cina; e altri sei.

I ricercatori hanno recentemente scoperto una proprietà della seta di ragno chiamata supercontrazione, in cui le fibre sottili possono ridursi improvvisamente in risposta ai cambiamenti di umidità. La nuova scoperta è che non solo i fili si contraggono, si torcono anche allo stesso tempo, fornendo una forte forza di torsione. "È un fenomeno nuovo, " dice Buehler.

"L'abbiamo trovato inizialmente per caso, " Liu dice. "I miei colleghi e io volevamo studiare l'influenza dell'umidità sulla seta del ragno a cingoli". sospesero un peso dalla seta per fare una specie di pendolo, e lo racchiudevano in una camera dove potevano controllare l'umidità relativa all'interno. "Quando abbiamo aumentato l'umidità, il pendolo iniziò a ruotare. Era fuori dalle nostre aspettative. Mi ha davvero scioccato".

Il team ha testato una serie di altri materiali, compresi i capelli umani, ma non trovarono tali movimenti di torsione negli altri che provarono. Ma Liu ha detto di aver iniziato subito a pensare che questo fenomeno "potrebbe essere utilizzato per i muscoli artificiali".

"Questo potrebbe essere molto interessante per la comunità della robotica, "Buehler dice, come un nuovo modo di controllare determinati tipi di sensori o dispositivi di controllo. "È molto preciso nel modo in cui puoi controllare questi movimenti controllando l'umidità".

La seta di ragno è già nota per il suo eccezionale rapporto resistenza-peso, la sua flessibilità, e la sua durezza, o resilienza. Numerosi team in tutto il mondo stanno lavorando per replicare queste proprietà in una versione sintetica della fibra a base di proteine.

Mentre lo scopo di questa forza di torsione, dal punto di vista del ragno, è sconosciuto, i ricercatori pensano che la supercontrazione in risposta all'umidità possa essere un modo per assicurarsi che una rete sia tesa in risposta alla rugiada mattutina, forse proteggendolo dai danni e massimizzando la sua reattività alle vibrazioni affinché il ragno percepisca la sua preda.

"Non abbiamo trovato alcun significato biologico" per il movimento di torsione, dice Buehler. Ma attraverso una combinazione di esperimenti di laboratorio e modelli molecolari al computer, sono stati in grado di determinare come funziona il meccanismo di torsione. Risulta essere basato sul ripiegamento di un particolare tipo di elemento costitutivo proteico, chiamato prolina.

Indagare su quel meccanismo sottostante ha richiesto una modellazione molecolare dettagliata, che è stato effettuato da Tarakanova e Hsu. "Abbiamo cercato di trovare un meccanismo molecolare per ciò che i nostri collaboratori stavano trovando in laboratorio, " Spiega Hsu. "E abbiamo effettivamente trovato un potenziale meccanismo, " basato sulla prolina. Hanno dimostrato che con questa particolare struttura prolina in atto, la torsione si è sempre verificata nelle simulazioni, ma senza di essa non c'era torsione.

"La seta del filo di ragno è una fibra proteica, "Spiega Liu. "E' composto da due proteine ​​principali, chiamato MaSp1 e MaSp2." La prolina, cruciale per la reazione di torsione, si trova all'interno di MaSp2, e quando le molecole d'acqua interagiscono con essa interrompono i suoi legami idrogeno in modo asimmetrico che provoca la rotazione. La rotazione va solo in una direzione, e avviene ad una soglia di circa il 70% di umidità relativa.

"La proteina ha una simmetria rotazionale incorporata, " dice Buehler. E attraverso la sua forza di torsione, rende possibile "un'intera nuova classe di materiali". Ora che questa proprietà è stata trovata, egli propone, magari può essere replicato in un materiale sintetico. "Forse possiamo creare un nuovo materiale polimerico che replichi questo comportamento, " dice Buehler.

"La propensione unica della seta a subire la supercontrazione e ad esibire un comportamento torsionale in risposta a fattori scatenanti esterni come l'umidità può essere sfruttata per progettare materiali reattivi a base di seta che possono essere regolati con precisione su scala nanometrica, "dice Tarakanova, che ora è un assistente professore presso l'Università del Connecticut. "Le potenziali applicazioni sono diverse:da robot e sensori morbidi guidati dall'umidità, ai tessuti intelligenti e ai generatori di energia verde."

Potrebbe anche risultare che altri materiali naturali esibiscono questa proprietà, ma se è così questo non è stato notato. "Questo tipo di movimento di torsione potrebbe essere trovato in altri materiali che non abbiamo ancora esaminato, " dice Buehler. Oltre a possibili muscoli artificiali, la scoperta potrebbe anche portare a sensori precisi per l'umidità.