I ragni ingeriscono nanotubi, quindi tessono seta rinforzata con carbonio

La seta di ragno è uno dei materiali più straordinari conosciuti dalla scienza. La fibra proteica, filata dai ragni per creare ragnatele, è più forte di quasi tutto ciò che gli esseri umani possono produrre.

I ragni di seta dragline usano per creare il bordo esterno di una ragnatela e i raggi sono cose incredibili. Si abbina all'acciaio legato di alta qualità per la resistenza alla trazione, ma è circa un sesto più denso. È anche altamente duttile, a volte in grado di allungarsi fino a cinque volte la sua lunghezza.

Questa combinazione di resistenza e duttilità rende la seta di ragno estremamente resistente, eguagliando la tenacità delle fibre di carbonio all'avanguardia come il Kevlar.

Quindi è ovvio che la capacità di rendere la seta di ragno ancora più forte e resistente sarebbe un significativo colpo di stato scientifico. Ecco perché il lavoro di Nicola Pugno all'Università di Trento in Italia e alcuni amici è una sorta di sbalorditivo.

Questi ragazzi hanno trovato un modo per incorporare nanotubi di carbonio e grafene nella seta di ragno e aumentarne la forza e la tenacità oltre qualsiasi cosa fosse possibile prima. Il materiale risultante ha proprietà come resistenza alla frattura, modulo di Young e modulo di tenacità superiori a qualsiasi altra cosa mai misurata.

L'approccio del team è relativamente semplice. Hanno iniziato con 15 ragni Pholcidae, raccolti nelle campagne italiane, che hanno tenuto in condizioni controllate nel loro laboratorio. Hanno raccolto campioni di seta dragline prodotti da questi ragni come riferimento.

Il team ha quindi utilizzato un trucco accurato per introdurre nanotubi di carbonio e scaglie di grafene nella seta del ragno. Hanno semplicemente spruzzato i ragni con acqua contenente i nanotubi o fiocchi e quindi hanno misurato le proprietà meccaniche della seta prodotta dai ragni.

Per ogni filo di seta, hanno fissato la fibra tra due supporti di cartone a forma di C e l'hanno inserita in un dispositivo in grado di misurare il carico su una fibra con una risoluzione di 15 nano-newton e qualsiasi spostamento della fibra con una risoluzione di 0,1 nanometri.

I risultati creano una lettura impressionante. Misuriamo una resistenza alla frattura fino a 5,4 GPa, un modulo di Young fino a 47,8 GPa e un modulo di tenacità fino a 2,1 GPa, affermano Pugno e co. Questo è il modulo di tenacità più alto per una fibra, superando le fibre sintetiche polimeriche ad alte prestazioni (es. Kelvar49) e persino le attuali fibre annodate più resistenti, dicono.

In altre parole, dare ai ragni acqua infusa con nanotubi di carbonio li fa tessere la seta più forte di qualsiasi fibra conosciuta.

Il lavoro solleva alcune domande interessanti. Per cominciare, non è chiaro come i ragni incorporino nanotubi di carbonio e scaglie di grafene nella loro seta. Il team utilizza metodi spettroscopici per dimostrare che i materiali a base di carbonio sono presenti nella fibra ma non sono in grado di mostrare esattamente come.

Una possibilità è che la seta venga rivestita con questi materiali a base di carbonio dopo essere stata filata. Pugno e compagni non possono escluderlo, ma affermano che è improbabile perché la struttura risultante non avrebbe la forza che hanno misurato. Non si prevede che tale rivestimento esterno sulla superficie della fibra contribuisca in modo significativo al rafforzamento meccanico osservato, affermano.

Invece, il team afferma che è più probabile che i ragni ingeriscano l'acqua insieme ai materiali a base di carbonio e questi vengano poi incorporati nella fibra mentre viene filata. Quindi i nanotubi e il grafene finiscono nella parte centrale di ogni fibra dove possono avere il maggiore impatto sulla sua forza.

Il team ha persino simulato la struttura molecolare risultante e afferma che le proprietà meccaniche sono in buon accordo con i risultati sperimentali.

Ci sono sfide da affrontare, ovviamente. Nessuno ha scoperto un modo efficiente per raccogliere la seta di ragno, anche se non per mancanza di tentativi. Quindi un importante passo futuro sarà lo sviluppo di una tale tecnica che possa funzionare su scala industriale. Ciò aprirebbe la strada ad applicazioni diffuse in tutto, dalla riparazione dei tessuti alla progettazione di indumenti.

Questa non è la prima volta che i ricercatori hanno tentato di modificare la seta di ragno. Vari gruppi hanno aggiunto elementi metallici ponendo la seta nell'apposito vapore. In questo modo hanno notevolmente aumentato la resistenza e la tenacità della seta, anche se mai nella misura in cui Pugno e compagni sono riusciti.

Ecco perché il loro lavoro è impressionante. Le straordinarie proprietà della seta di ragno sono il risultato di 400 milioni di anni di evoluzione. Quindi un miglioramento così significativo è chiaramente qualcosa di speciale.

E la semplicità della tecnica suggerisce che un approccio simile potrebbe essere utilizzato su altri organismi. Questa nuova procedura di rinforzo potrebbe essere applicata anche ad altri animali e piante, portando a una nuova classe di materiali bionici, dicono.

Rif: arxiv.org/abs/1504.06751 : Seta Rinforzata Con Grafene O Nanotubi Di Carbonio Filati Da Ragni

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