Вовняний матеріал може запам'ятовувати та змінювати форму

Кожен, хто хоч раз випрямляв волосся, знає, що вода – ворог.Волосся, ретельно випрямлене теплом, відскочить назад у локони, щойно торкнеться води.чомуБо волосся має пам'ять форми.Властивості його матеріалу дозволяють йому змінювати форму у відповідь на певні подразники та повертатися до початкової форми у відповідь на інші.
Що, якби інші матеріали, особливо текстиль, мали таку пам’ять форми?Уявіть собі футболку з вентиляційними отворами, які відкриваються під впливом вологи та закриваються, коли висохнуть, або універсальний одяг, який розтягується чи стискається відповідно до розмірів людини.
Тепер дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Джона А. Полсона (SEAS) розробили біосумісний матеріал, який можна надрукувати на 3D-друкі в будь-яку форму та попередньо запрограмувати з оборотною пам’яттю форми.Матеріал виготовляється з використанням кератину, волокнистого білка, який міститься у волоссі, нігтях і раковинах.Дослідники витягли кератин із залишків вовни Agora, яка використовується у виробництві текстилю.
Дослідження може допомогти ширшим зусиллям щодо зменшення відходів у індустрії моди, яка є одним із найбільших забруднювачів на планеті.Такі дизайнери, як Стелла Маккарті, вже переосмислюють те, як індустрія використовує матеріали, зокрема вовну.
«Цим проектом ми показали, що ми можемо не тільки переробляти вовну, але й будувати з неї речі, які ніколи раніше не могли собі уявити», — сказав Кіт Паркер, професор біоінженерії та прикладної фізики сім’ї Тарр у SEAS і старший автор статті.«Наслідки для стійкості природних ресурсів очевидні.З переробленим білком кератину ми можемо зробити стільки ж, а то й більше, ніж те, що робили, стрижучи тварин на сьогоднішній день, і таким чином зменшити вплив текстильної та модної промисловості на навколишнє середовище».
Дослідження опубліковано в Nature Materials.
Ключем до здатності кератину змінювати форму є його ієрархічна структура, сказав Лука Сера, докторант SEAS і перший автор статті.
Один ланцюжок кератину організований у структуру, схожу на пружину, відому як альфа-спіраль.Два з цих ланцюгів скручуються разом, утворюючи структуру, відому як згорнута котушка.Багато з цих спіральних спіралі збираються в протофіламенти і, зрештою, у великі волокна.
«Організація альфа-спіралі та сполучних хімічних зв’язків надають матеріалу як міцності, так і пам’яті форми», — сказав Сера.
Коли волокно розтягується або піддається певному подразнику, пружинисті структури розкручуються, а зв’язки перебудовуються, утворюючи стабільні бета-пластини.Волокно залишається в такому положенні, доки воно не повернеться до початкової форми.
Щоб продемонструвати цей процес, дослідники надрукували на 3D-принтері кератинові листи різних форм.Вони запрограмували постійну форму матеріалу — форму, до якої він завжди повертатиметься при спрацьовуванні — за допомогою розчину перекису водню та фосфату натрію.
Після встановлення пам’яті аркуш можна було перепрограмувати та формувати нові форми.
Наприклад, один кератиновий лист був складений у складну зірку орігамі як її постійну форму.Після встановлення пам’яті дослідники занурили зірку у воду, де вона розгорнулася і стала пластичною.Звідти згорнули лист у щільну трубу.Після висихання лист був зафіксований у вигляді повністю стабільної та функціональної труби.Щоб повернути процес назад, вони помістили трубку назад у воду, де вона розгорнулася і склалася назад у зірку орігамі.
«Цей двоетапний процес 3D-друку матеріалу та встановлення його постійних форм дозволяє створювати дійсно складні форми зі структурними особливостями до мікронного рівня», — сказав Сера.«Це робить матеріал придатним для широкого спектру застосувань від текстилю до тканинної інженерії».
«Незалежно від того, чи використовуєте ви такі волокна для виготовлення бюстгальтерів, розмір і форму чашки яких можна змінювати щодня, чи ви намагаєтеся виготовити активний текстиль для медичної терапії, можливості роботи Луки широкі та захоплюючі», — сказав Паркер.«Ми продовжуємо переосмислювати текстиль, використовуючи біологічні молекули як інженерні субстрати, як вони ніколи раніше не використовувалися».


Час публікації: 21 вересня 2020 р