Ragni e bachi da seta sono maestri della scienza dei materiali, ma gli scienziati stanno finalmente recuperando terreno. Le sete sono tra i materiali più resistenti conosciuti, più forte e meno fragile, Libra per libra, rispetto all'acciaio. Ora gli scienziati del MIT hanno svelato alcuni dei loro segreti più profondi nella ricerca che potrebbe aprire la strada alla creazione di materiali sintetici che si duplicano, o addirittura superare, le straordinarie proprietà della seta naturale.
Markus Buehler, il Professore Associato Esther e Harold E. Edgerton nel Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT, e il suo team studiano le proprietà fondamentali dei materiali e come questi materiali falliscono. Con la seta, ciò significava utilizzare modelli informatici in grado di simulare non solo le strutture delle molecole, ma esattamente come si muovono e interagiscono tra loro. I modelli hanno aiutato i ricercatori a determinare i meccanismi molecolari e atomici responsabili delle notevoli proprietà meccaniche del materiale.
La combinazione di forza e duttilità della seta - la sua capacità di piegarsi o allungarsi senza rompersi - deriva da una disposizione insolita di legami atomici che sono intrinsecamente molto deboli, Buehler e la sua squadra hanno trovato. Studente di dottorato Sinan Keten, L'associato post-dottorato Zhiping Xu e la studentessa universitaria Britni Ihle sono coautori di un articolo sulla ricerca che sarà pubblicato il 14 marzo sulla rivista Materiali della natura .
Le sete sono fatte di proteine, compresi alcuni che si formano sottili, cristalli planari chiamati foglietti beta. Questi fogli sono collegati tra loro tramite legami idrogeno - tra i tipi più deboli di legami chimici, a differenza di, Per esempio, i legami covalenti molto più forti che si trovano nella maggior parte delle molecole organiche. Il team di Buehler ha effettuato una serie di simulazioni al computer a livello atomico che hanno studiato i meccanismi di guasto molecolare nella seta. "Cristalli piccoli ma rigidi hanno mostrato la capacità di riformare rapidamente i loro legami spezzati, e come risultato fallisce "con grazia" - cioè, gradualmente piuttosto che improvvisamente, " spiega lo studente laureato Keten.
"Nella maggior parte dei materiali ingegnerizzati" — ceramica, per esempio - "l'alta resistenza viene con la fragilità, " Buehler dice. "Una volta introdotta la duttilità, i materiali si indeboliscono." Ma non la seta, che ha un'elevata resistenza nonostante sia costruito da blocchi di costruzione intrinsecamente deboli. Si scopre che è perché questi elementi costitutivi - i minuscoli cristalli di foglietti beta, così come i filamenti che li uniscono - sono disposti in una struttura che ricorda un'alta pila di frittelle, ma con le strutture cristalline all'interno di ciascuna frittella che si alternano nel loro orientamento. Questa particolare geometria di minuscoli nanocristalli di seta consente ai legami idrogeno di lavorare in modo cooperativo, rinforzare le catene adiacenti contro le forze esterne, che porta alla straordinaria estensibilità e resistenza della seta di ragno.
Una scoperta sorprendente del nuovo lavoro è che esiste una dipendenza critica delle proprietà della seta dall'esatta dimensione di questi cristalli di foglietti beta all'interno delle fibre. Quando la dimensione del cristallo è di circa tre nanometri, il materiale ha le sue caratteristiche ultra resistenti e duttili. Ma lascia che quei cristalli crescano appena oltre i cinque nanometri, e il materiale diventa debole e fragile.
Buehler afferma che il lavoro ha implicazioni ben oltre la semplice comprensione della seta. Nota che i risultati potrebbero essere applicati a una classe più ampia di materiali biologici, come legno o fibre vegetali, e materiali di ispirazione biologica, come nuove fibre, filati e tessuti o materiali sostitutivi dei tessuti, per produrre una varietà di materiali utili da semplici, elementi banali. Per esempio, lui e il suo team stanno esaminando la possibilità di sintetizzare materiali che hanno una struttura simile alla seta, ma usando molecole che hanno una forza intrinsecamente maggiore, come i nanotubi di carbonio.
L'impatto a lungo termine di questa ricerca, Buehler dice, sarà lo sviluppo di un nuovo paradigma di design dei materiali che consente la creazione di materiali altamente funzionali da abbondanti, materiali poco costosi. Questo sarebbe un allontanamento dall'approccio attuale, dove forti legami, componenti costosi, e lavorazioni ad alta intensità energetica (ad alte temperature) vengono utilizzate per ottenere materiali ad alte prestazioni.
Peter Fratzl, professore nel dipartimento di biomateriali del Max Planck Institute of Colloids and Interfaces a Potsdam, Germania, chi non era coinvolto in questo lavoro, afferma che "la forza di questo team è il loro approccio teorico multiscala pionieristico" all'analisi dei materiali naturali. Aggiunge che questa è "la prima prova dalla modellizzazione teorica di come i legami idrogeno, per quanto deboli possano essere, può fornire elevata resistenza e tenacità se disposti in modo adeguato all'interno del materiale."
Professore di biomateriali Thomas Scheibel dell'Università di Bayreuth, Germania, anche lui non era coinvolto in questo lavoro, dice che il lavoro di Buehler è di "altissimo livello, " e stimolerà molte ulteriori ricerche. L'approccio del team del MIT, lui dice, "fornirà una base per una migliore comprensione di alcuni fenomeni biologici finora non compresi".
