Както знае всеки, който някога е изправял косата си, водата е враг.Косата, старателно изправена от топлина, ще се върне обратно на къдрици в момента, в който докосне вода.Защо?Защото косата има памет на формата.Свойствата на материала му позволяват да променя формата си в отговор на определени стимули и да се връща в първоначалната си форма в отговор на други.
Какво ще стане, ако други материали, особено текстилът, имат този тип памет на формата?Представете си тениска с вентилационни отвори за охлаждане, които се отварят, когато са изложени на влага, и се затварят, когато изсъхнат, или дрехи с един размер, които се разтягат или свиват според измерванията на човек.
Сега изследователи от Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) са разработили биосъвместим материал, който може да бъде 3D отпечатан във всякаква форма и предварително програмиран с обратима памет на формата.Материалът е направен с помощта на кератин, влакнест протеин, открит в косата, ноктите и черупките.Изследователите извличат кератин от остатъци от вълна Agora, използвана в текстилното производство.
Изследването може да помогне за по-широките усилия за намаляване на отпадъците в модната индустрия, един от най-големите замърсители на планетата.Вече дизайнери като Стела Маккарти преосмислят как индустрията използва материали, включително вълна.
„С този проект ние показахме, че не само можем да рециклираме вълна, но можем да изграждаме неща от рециклирана вълна, които никога не са били представяни досега“, каза Кит Паркър, професор по биоинженерство и приложна физика в SEAS от семейство Тар и старши автор на статията.„Последиците за устойчивостта на природните ресурси са ясни.С рециклирания кератинов протеин можем да направим точно толкова, или повече, от това, което е било направено чрез стригане на животни до момента и по този начин да намалим въздействието върху околната среда на текстилната и модната индустрия.“
Изследването е публикувано в Nature Materials.
Ключът към способността на кератина да променя формата е неговата йерархична структура, каза Лука Сера, постдокторант в SEAS и първи автор на статията.
Една единствена верига от кератин е подредена в подобна на пружина структура, известна като алфа-спирала.Две от тези вериги се усукват заедно, за да образуват структура, известна като навита намотка.Много от тези навити намотки се сглобяват в протофиламенти и евентуално големи влакна.
„Организацията на алфа спиралата и свързващите химични връзки придават на материала както здравина, така и памет за формата“, каза Сера.
Когато влакното е разтегнато или изложено на определен стимул, подобните на пружина структури се развиват и връзките се подреждат отново, за да образуват стабилни бета-листове.Влакното остава в тази позиция, докато не бъде задействано да се навие обратно в първоначалната си форма.
За да демонстрират този процес, изследователите отпечатват 3D кератинови листове в различни форми.Те програмираха постоянната форма на материала - формата, към която винаги ще се връща, когато се задейства - с помощта на разтвор на водороден пероксид и мононатриев фосфат.
След като паметта беше зададена, листът можеше да бъде препрограмиран и формован в нови форми.
Например, един кератинов лист беше сгънат в сложна оригами звезда като негова постоянна форма.След като паметта беше зададена, изследователите потопиха звездата във вода, където тя се разгъна и стана ковка.Оттам те навиха листа в стегната тръба.След като изсъхне, листът беше заключен като напълно стабилна и функционална тръба.За да обърнат процеса, те поставиха тръбата обратно във вода, където тя се разви и сгъна обратно в оригами звезда.
„Този двуетапен процес на 3D отпечатване на материала и след това задаване на неговите постоянни форми позволява производството на наистина сложни форми със структурни характеристики до микронно ниво“, каза Cera.„Това прави материала подходящ за широк спектър от приложения от текстил до тъканно инженерство.“
„Независимо дали използвате влакна като тези, за да правите сутиени, чийто размер и форма на чашката могат да бъдат персонализирани всеки ден, или се опитвате да направите активиращ текстил за медицинска терапия, възможностите на работата на Лука са широки и вълнуващи“, каза Паркър.„Ние продължаваме да преосмисляме текстила, като използваме биологични молекули като инженерни субстрати, каквито никога не са били използвани досега.“
Време на публикуване: 21 септември 2020 г