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La loro scoperta iniziale era sembrata una contraddizione perché la maggior parte delle altre fibre polimeriche si infragiliscono al freddo. Ma dopo molti anni di lavoro sul problema, il gruppo di ricercatori ha scoperto che la resistenza criogenica della seta si basa sulle sue fibrille su nanoscala. L'ordine e la gerarchia submicroscopici consentono a una seta di resistere a temperature fino a -200 C. E forse anche inferiori, che renderebbero queste classiche fibre naturali di lusso ideali per applicazioni nelle profondità del freddo spazio esterno.
Il team interdisciplinare ha esaminato il comportamento e la funzione di diverse sete animali raffreddate a una temperatura di azoto liquido di -196 C. Le fibre includevano sete di ragno, ma lo studio si è concentrato sulle fibre più spesse e molto più commerciali del baco da seta selvatico. Antheraea pernyi .
In un articolo pubblicato oggi su Frontiere della chimica dei materiali , il team è stato in grado di mostrare non solo "quello" ma anche "come" la seta aumenta la sua resistenza in condizioni in cui la maggior parte dei materiali diventerebbe molto fragile. Infatti, la seta sembra contraddire la comprensione fondamentale della scienza dei polimeri non perdendo ma guadagnando qualità in condizioni veramente fredde, diventando sia più forte che più estensibile. Questo studio esamina il "come" e spiega il "perché". Si scopre che i processi sottostanti si basano sulle numerose fibrille di dimensioni nanometriche che costituiscono il nucleo di una fibra di seta.
In linea con la tradizionale teoria dei polimeri, lo studio afferma che le singole fibrille diventano effettivamente più rigide man mano che si raffreddano. La novità e l'importanza dello studio sta nella conclusione che questo irrigidimento porta ad un aumento dell'attrito tra le fribrille. Questo attrito, a sua volta, aumenta la deviazione dell'energia della cricca e allo stesso tempo resiste allo slittamento delle fibrille. Il cambiamento della temperatura modula anche l'attrazione tra le singole molecole proteiche della seta, influenzando a sua volta le proprietà del nucleo di ciascuna fibrilla, che è composto da molte migliaia di molecole.
È importante sottolineare che la ricerca è in grado di descrivere il processo di tempra sia a livello di micron che di nanoscala. Il team conclude che qualsiasi crepa che lacera il materiale viene deviata ogni volta che colpisce una nano-fibrilla, costringendola a perdere sempre più energia nelle numerose deviazioni che deve negoziare. E quindi una fibra di seta si rompe solo quando le centinaia o migliaia di nano-fibrille si sono prima allungate e poi scivolate e poi tutte si sono spezzate singolarmente.
La scoperta sta spingendo oltre i confini perché ha studiato un materiale nell'area concettualmente difficile e tecnologicamente impegnativa che non solo abbraccia le scale micron e nanometriche, ma deve anche essere studiato a temperature ben al di sotto di qualsiasi congelatore. Le dimensioni delle scale studiate vanno dalla dimensione micron della fibra alla dimensione submicronica di un fascio di filamenti alla scala nanometrica delle fibrille e, ultimo ma non meno importante, al livello delle strutture sopramolecolari e delle singole molecole. Sullo sfondo della scienza all'avanguardia e delle applicazioni futuristiche, vale la pena ricordare che la seta non è solo una fibra biologica al 100%, ma anche un prodotto agricolo con millenni di ricerca e sviluppo.
Sembrerebbe che questo studio abbia implicazioni di vasta portata suggerendo un ampio spettro di nuove applicazioni per le sete che vanno da nuovi materiali da utilizzare nelle regioni polari della Terra a nuovi compositi per aeroplani leggeri e aquiloni che volano nella strato- e meso-sfera a, forse, persino ragnatele giganti tessute da ragni robot per catturare astro-spazzatura nello spazio.
Professor Fritz Vollrath, dal Dipartimento di Zoologia dell'Università di Oxford, ha dichiarato:"Prevediamo che questo studio porterà alla progettazione e alla fabbricazione di nuove famiglie di filamenti e compositi strutturali resistenti utilizzando filamenti sia naturali che ispirati alla seta per applicazioni in condizioni di freddo estremo come lo spazio".
Prof Zhengzhong Shao, dal Dipartimento di Scienze Macromolecolari della Fudan University di Shanghai, ha dichiarato:'Concludiamo che l'eccezionale tenacità meccanica della fibra di seta a temperature criogeniche deriva dal suo altamente allineato e orientato, morfologia nanofibrillare relativamente indipendente ed estensibile.'
Dott. Juan Guan dell'Università di Beihang, a Pechino, ha dichiarato:"Questo studio fornisce nuove informazioni sulla nostra comprensione delle relazioni struttura-proprietà dei materiali naturali ad alte prestazioni che speriamo portino alla fabbricazione di polimeri e compositi artificiali per applicazioni a bassa temperatura e ad alto impatto".
E il dottor Chris Holland dell'Università di Sheffield, leader di un consorzio di ricerca a livello europeo sul romanzo, bio-fibre sostenibili basate sulle intuizioni sulla filatura della seta naturale ha affermato:"Le sete naturali continuano a dimostrarsi materiali standard per la produzione di fibre. Il lavoro qui identifica che non è solo la chimica, ma il modo in cui le sete vengono filate e di conseguenza sono strutturate è il segreto del loro successo.'
I prossimi passi della ricerca testeranno ulteriormente le sorprendenti proprietà. Una società spin-out, Spintex Ltd, dell'Università di Oxford, parzialmente finanziato da una sovvenzione dell'UE H2020, sta esplorando la filatura delle proteine della seta alla maniera del ragno e si concentra sulla copia delle strutture submicroniche delle fibrille in fasci.
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