Jak wie każdy, kto kiedykolwiek prostował włosy, woda jest wrogiem.Włosy starannie wyprostowane pod wpływem ciepła odbiją się z powrotem w loki w chwili, gdy zetkną się z wodą.Czemu?Ponieważ włosy mają pamięć kształtu.Jego właściwości materiałowe pozwalają mu zmieniać kształt w odpowiedzi na pewne bodźce i powracać do pierwotnego kształtu w odpowiedzi na inne.
A gdyby inne materiały, zwłaszcza tekstylia, miały taką pamięć kształtu?Wyobraź sobie koszulkę z otworami wentylacyjnymi, które otwierają się pod wpływem wilgoci i zamykają, gdy są suche, lub odzież w jednym rozmiarze, która rozciąga się lub kurczy do wymiarów danej osoby.
Teraz naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali biokompatybilny materiał, który można wydrukować w 3D w dowolnym kształcie i zaprogramować z odwracalną pamięcią kształtu.Materiał jest wykonany z keratyny, włóknistego białka znajdującego się we włosach, paznokciach i skorupkach.Naukowcy wydobyli keratynę z resztek wełny Agora używanej do produkcji tekstyliów.
Badania mogą pomóc w szerszym wysiłku redukcji odpadów w branży modowej, która jest jednym z największych trucicieli na świecie.Już teraz projektanci, tacy jak Stella McCarthy, ponownie wyobrażają sobie, w jaki sposób przemysł wykorzystuje materiały, w tym wełnę.
„Dzięki temu projektowi pokazaliśmy, że nie tylko możemy poddać recyklingowi wełnę, ale możemy zbudować z niej rzeczy, których nigdy wcześniej nie wyobrażano sobie” – powiedział Kit Parker, profesor rodziny Tarr bioinżynierii i fizyki stosowanej w SEAS i senior autor artykułu.„Konsekwencje dla zrównoważenia zasobów naturalnych są jasne.Dzięki recyklingowi białka keratynowego możemy zrobić tyle samo lub więcej, niż dotychczas strzyżono zwierzęta, a tym samym zmniejszyć wpływ przemysłu tekstylnego i modowego na środowisko”.
Wyniki badań opublikowano w Nature Materials.
Kluczem do zdolności keratyny do zmiany kształtu jest jej hierarchiczna struktura, powiedział Luca Cera, doktor habilitowany w SEAS i pierwszy autor artykułu.
Pojedynczy łańcuch keratyny układa się w przypominającą sprężynę strukturę znaną jako alfa-helisa.Dwa z tych łańcuchów skręcają się razem, tworząc strukturę znaną jako zwinięta cewka.Wiele z tych zwiniętych cewek jest łączonych w protofilamenty i ostatecznie duże włókna.
„Organizacja alfa helisy i łączne wiązania chemiczne zapewniają materiałowi zarówno siłę, jak i pamięć kształtu” – powiedział Cera.
Kiedy włókno jest rozciągane lub wystawione na działanie określonego bodźca, struktury podobne do sprężyn rozwijają się, a wiązania wyrównują się, tworząc stabilne arkusze beta.Włókno pozostaje w tej pozycji, dopóki nie zostanie uruchomione, aby zwinąć się z powrotem do swojego pierwotnego kształtu.
Aby zademonstrować ten proces, naukowcy wydrukowali w 3D arkusze keratynowe o różnych kształtach.Zaprogramowali stały kształt materiału — kształt, do którego zawsze powróci po uruchomieniu — za pomocą roztworu nadtlenku wodoru i fosforanu sodu.
Po ustawieniu pamięci arkusz można było przeprogramować i uformować w nowe kształty.
Na przykład jeden arkusz keratyny został złożony w złożoną gwiazdę origami jako jego stały kształt.Gdy pamięć została utrwalona, naukowcy zanurzyli gwiazdę w wodzie, gdzie rozwinęła się i stała się plastyczna.Stamtąd zwinęli arkusz w ciasną rurkę.Po wyschnięciu arkusz został zamknięty jako w pełni stabilna i funkcjonalna rura.Aby odwrócić ten proces, włożyli rurkę z powrotem do wody, gdzie rozwinęła się i złożyła z powrotem w gwiazdę origami.
„Ten dwuetapowy proces drukowania 3D materiału, a następnie ustawiania jego trwałych kształtów, pozwala na wytwarzanie naprawdę złożonych kształtów o cechach strukturalnych do poziomu mikronów” – powiedział Cera.„Dzięki temu materiał nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań, od tekstyliów po inżynierię tkankową”.
„Niezależnie od tego, czy używasz takich włókien do produkcji biustonoszy, których rozmiar i kształt można dostosowywać każdego dnia, czy też próbujesz wytwarzać tkaniny uruchamiające do celów terapeutycznych, możliwości pracy Luki są szerokie i ekscytujące” – powiedział Parker.„Kontynuujemy przeobrażanie tekstyliów, używając cząsteczek biologicznych jako substratów inżynieryjnych, tak jak nigdy wcześniej ich nie używano”.
Czas postu: 21.09-2020