La seta di ragno è un biopolimero autoassemblante con legami idrogeno alla base della sua struttura chimica, tuttavia, nonostante il debole legame chimico, supera la maggior parte dei materiali rispetto alle prestazioni meccaniche. Il biopolimero è prodotto dalla ghiandola ampullata del ragno maggiore ed è una fibra straordinaria che può superare la maggior parte dei materiali sintetici in termini di resistenza meccanica bilanciando forza ed estensione/flessibilità. Le proprietà della seta dragline includono un'elevata conduttività termica, dinamiche torsionali peculiari e potenziale di propagazione eccezionale delle vibrazioni. Per aggiungere più distinzione alla fibra naturale, la seta del ragno dragline mostra un gigantesco effetto a memoria di forma dopo l'esposizione all'acqua; in un effetto noto come supercontrazione. Le proprietà uniche e straordinarie della seta di ragno a cingoli sono attribuite alla sua struttura gerarchica e alla sua morfologia.

In un recente studio, ora pubblicato in Progressi scientifici , Dabiao Liu e collaboratori nei campi di ricerca multidisciplinare dell'ingegneria, fisica, meccanica molecolare, ingegneria biomedica e scienze della vita, relazione sulla nuova caratteristica del comportamento torsionale indotto dall'umidità della seta di ragno. Hanno dimostrato l'impatto della seta del ragno dragline e le possibili origini strutturali della risposta torsionale nello studio con il potenziale per progettare una "intera nuova classe di materiali". Comprendere la relazione struttura-proprietà della seta di ragno può avvantaggiare gli scienziati dei materiali fornendo un'impressione della precisa natura fisica del biopolimero. Nuovi biomateriali basati sulle proprietà meccaniche significative della seta di ragno possono essere ingegnerizzati per tradurre la relazione struttura-proprietà del materiale in applicazioni pratiche.

Il materiale di seta per dragline di ragno è sensibile all'acqua e può ridursi fino al cinquanta percento in lunghezza con rigonfiamento radiale. L'acqua può interrompere i legami idrogeno ad alta umidità per riorganizzare le molecole nanocristalline per abbassare le configurazioni energetiche, con conseguente supercontrazione. Nelle scienze applicate e nell'ingegneria, la supercontrazione può trovare applicazioni originali come muscoli artificiali o attuatori di trazione. Ad esempio, la seta di ragno di Nephila clavipes e Ornithoctonus huwena può mostrare un comportamento riproducibile di stiramento e restringimento dovuto all'acqua e all'umidità, consentendo il sollevamento pesi ciclico. Esempi recenti di tali applicazioni includono muscoli artificiali torsionali ingegnerizzati con polimeri sintetici, nanotubi di carbonio e fibre di grafene.

Sebbene studi precedenti abbiano studiato le proprietà torsionali della seta del ragno dragline, l'origine strutturale del suo comportamento torsionale resta da esplorare in profondità. In questo lavoro, Liu et al. osservato il comportamento unico della seta del ragno rispetto a fibre di controllo come la seta Bombyx mori, Fibra di Kevlar e capelli umani. Gli scienziati hanno progettato gli esperimenti per rivelare la risposta personale graduale della seta dragline all'aumento dell'umidità. Hanno condotto simulazioni atomistiche delle proteine ​​a due componenti MaSp1 e MaSp2 per comprendere il meccanismo del comportamento di torsione strutturale a livello della molecola. Hanno quindi proposto una possibile relazione tra la deformazione di torsione osservata guidata dall'umidità e la struttura molecolare della seta dragline.

Liu et al. usate sete dragline da Nephila pilipes, Nephila eduli e specie di ragno Argiope versicolor replicando con successo un metodo precedente per la raccolta di campioni di seta. Hanno usato un apparato basato sull'elaborazione delle immagini per studiare l'attuazione torsionale delle fibre sottili indotta dall'umidità. Nella configurazione sperimentale, gli scienziati hanno utilizzato un pendolo di torsione costituito da una singola fibra racchiusa in un armadio per l'umidità e hanno registrato il movimento del pendolo utilizzando una videocamera aumentando o diminuendo l'umidità relativa (UR). Hanno progettato due diversi protocolli per comprendere la risposta delle sete dei ragni dragline al cambiamento dell'umidità; un protocollo ha aumentato gradualmente l'UR per mantenere valori elevati per un lungo periodo di tempo. Nel secondo metodo, hanno cambiato ciclicamente l'UR dal 40 al 100 percento e sono tornati al 40 percento cinque volte.

Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), gli scienziati hanno prima caratterizzato la morfologia e la struttura delle sete di ragno. Hanno condotto test di screening su tre fibre di controllo; B. mori seta, capelli umani e fibra di Kevlar. Gli esperimenti hanno rivelato le risposte torsionali delle fibre rappresentative all'umidità ambientale. Hanno quindi osservato le contrazioni/rilassamenti ciclici indotti dall'umidità della seta dragline di diverse specie di ragni per comprendere l'attuazione torsionale guidata dall'umidità nella seta dragline. Dopo le prove, la superficie della seta dragline è diventata più ruvida rispetto alla fase iniziale. La seta del ragno dragline di N. pilipes ha raggiunto una deformazione torsionale di circa 255 ⁰ /mm in una direzione, un valore maggiore di quello generato dai muscoli artificiali di nanotubi di carbonio (250 ⁰ /mm) alimentato da energia elettrica. Il valore era inoltre 1000 volte maggiore di quelli riportati per altri attuatori basati su leghe a memoria di forma e polimeri conduttori con capacità di deformazione a torsione. Per la seta dragline A. versicolor, l'attuazione torsionale è iniziata al 70% di umidità relativa, questo valore era inferiore a quello di N. pilipes seta dragline ma ancora paragonabile ai muscoli di nanotubi di carbonio.

Liu et al. quindi confrontato i risultati del secondo protocollo di variazioni di umidità cicliche in cui la seta del ragno dragline ha mostrato una risposta torsionale sensibile all'umidità, fornendo un metodo per controllare la deformazione della torsione. All'aumentare del numero di cicli RH, la velocità di torsione e l'accelerazione angolare della seta della dragline sono diminuite, indicando che la deformazione torsionale stava raggiungendo uno stato di saturazione. Gli scienziati hanno registrato che tutte le sete si sono allungate di circa il 5-10 percento dopo ogni test.

Poiché la torsione indotta dall'umidità è una caratteristica unica della seta del ragno, gli scienziati hanno studiato la struttura molecolare e la morfologia del materiale per rivelare il meccanismo alla base di questo comportamento. Hanno anche analizzato le strutture secondarie specifiche e l'organizzazione strutturale gerarchica della molecola. Liu et al. hanno mostrato che la presenza di prolina nella proteina MaSp2 produceva una torsione unidirezionale più pronunciata alla scala della singola molecola. Gli scienziati hanno quindi ipotizzato che l'orientamento dell'anello di prolina lineare striato possa aver forzato la molecola in uno schema attorcigliato. Utilizzando protocolli di simulazione molecolare a livello proteico, hanno spiegato il comportamento di transizione vetrosa osservato della seta di ragno ad alta UR.

In questo modo, Liu et al. ha mostrato che la seta del ragno dragline può generare un'enorme torsione (fino a 255 ⁰ /mm per N. pilipes e 127 ⁰ /mm per A. versicolor ragno sete dragline) sotto il 70 percento di umidità relativa. Gli scienziati hanno dimostrato che l'attuazione torsionale del materiale può essere controllata semplicemente regolando il livello dell'UR. La potenza osservata generata nella seta dragline non era passiva ma attiva un cambiamento di stato in risposta alla forza motrice dell'umidità. La torsione indotta dall'umidità ha trasformato la seta della dragline in modo che agisse come un attuatore torsionale. Questi risultati della ricerca avranno applicazioni nello sviluppo di robot morbidi guidati dall'umidità, nuovi sensori di umidità precisa, tessuti intelligenti o dispositivi per l'energia verde.

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