Silken fra den ydmyke edderkoppen har noen ganske imponerende egenskaper. Det er et av de kraftigste materialene som finnes i naturen, sterkere enn stål og tøffere enn Kevlar. Den kan strekkes flere ganger lengden før den går i stykker. Av disse grunner har det å replikere edderkoppsilke i laboratoriet vært litt av en besettelse blant materialforskere i flere tiår.
Relatert innhold
- Sneglenes tenner slår edderkoppsilke som naturens sterkeste materiale
- Kunne edderkoppsilke stoppe et bevegelig tog?
Nå har forskere ved University of Cambridge laget et nytt materiale som etterligner edderkoppsidens styrke, tøythet og energiabsorberende kapasitet. Dette materialet gir muligheten til å forbedre produkter fra sykkelhjelmer til fallskjerm til skuddsikre jakker til flyvinger. Kanskje dens mest imponerende eiendom? Det er 98 prosent vann.
"Edderkopper er interessante modeller fordi de er i stand til å produsere disse ypperlige silkefibrene ved romtemperatur ved å bruke vann som et løsningsmiddel, " sier Darshil Shah, ingeniør ved Cambridge Center for Natural Material Innovation. "Denne prosess edderkoppene har utviklet seg over hundrevis av millioner av år, men vi har ikke klart å kopiere så langt."
Laboratoriefibrene er laget av et materiale som kalles en hydrogel, som er 98 prosent vann og 2 prosent silika og cellulose, de to sistnevnte holdes sammen av cucurbiturils, molekyler som fungerer som "håndjern." Silika og cellulosefibrene kan trekkes fra hydrogel. Etter 30 sekunder fordampes vannet, og etterlater bare den sterke, tøyelige tråden.
Fibrene er ekstremt sterke - selv om de ikke er like sterke som de sterkeste edderkoppsilkene - og, betydelig, kan de lages i romtemperatur uten kjemiske løsningsmidler. Dette betyr at hvis de kan produseres i skala, har de en fordel i forhold til andre syntetiske fibre som nylon, som krever ekstremt høye temperaturer for spinning, noe som gjør tekstilproduksjon til en av verdens skitneste bransjer. Den kunstige edderkoppsilken er også fullstendig biologisk nedbrytbar. Og siden det er laget av vanlige, lett tilgjengelige materialer - hovedsakelig vann, silika og cellulose - har det potensialet til å være rimelig.
Fordi materialet kan absorbere så mye energi, kan det potensielt brukes som et beskyttende stoff.
"Edderkopper trenger den absorpsjonskapasiteten, fordi når en fugl eller en flue treffer nettet deres, må den være i stand til å absorbere det, ellers kommer det til å gå i stykker, " sier Shah. "Så ting som skrapelbestandig eller annen beskyttende militærklær, det vil være en spennende applikasjon."
Andre potensielle bruksområder inkluderer seilduk, fallskjermstoff, ballongmateriale og sykkel- eller skateboardhjelmer. Materialet er biokompatibelt, noe som betyr at det kan brukes i menneskekroppen til ting som masker.
Fibrene kan også modifiseres på en rekke interessante måter, sier Shah. Å bytte ut cellulosen med forskjellige polymerer kan gjøre silken til et helt annet materiale. Den grunnleggende metoden kan kopieres for å produsere versjoner av lite tekstiler med lite varme, uten kjemiske løsningsmidler.
"Det er en generisk metode for å lage alle fibre, lage enhver form for [kunstig] fibergrønn, " sier Shah.
Shah og teamet hans er langt fra de eneste forskerne som jobber med å lage kunstig edderkoppsilke. I motsetning til silkeormer, som kan dyrkes for sin silke, er edderkopper kannibaler som ikke ville tåle de nære kvartalene som er nødvendige for oppdrett, så å snu til laboratoriet er den eneste måten å få betydelige mengder av materialet. Hvert par år gir overskrifter om nye inngrep i prosessen. Et tysk team har modifisert E-coli-bakterier for å produsere edderkoppsilkermolekyler. Forskere ved Utah State University avlet genmodifiserte “edderkoppgeiter” for å produsere silkeproteiner i melken. Den amerikanske hæren tester "dragesilk" produsert via modifiserte silkeormer for bruk i skuddsikre vester. Tidligere i år publiserte forskere ved Karolinska Institute i Sverige en artikkel om en ny metode for å bruke bakterier for å produsere edderkoppsilkeproteiner på en potensielt bærekraftig, skalerbar måte. Og i vår debuterte California-baserte oppstart Bolt Threads bioingeniører med edderkoppsilke på SXSW-festivalen. Produktet deres lages gjennom en gjæringsprosess av gjær som produserer silkeproteiner, som deretter går gjennom en ekstruderingsprosess for å bli fibre. Det er lovende nok å ha generert et samarbeid med uteprodusenten Patagonia.
Men, som en Wired- historie fra 2015 påpeker, "så langt har hver gruppe som har forsøkt å produsere nok av tingene for å bringe det til massemarkedet, fra forskere til gigantiske selskaper, stort sett mislyktes."
Dette er utfordringen Shah og teamet hans står overfor akkurat nå.
"For øyeblikket lager vi rundt noen titalls milligram av disse materialene og trekker deretter fibre fra dem, " sier han. "Men vi vil prøve å gjøre dette i mye større skala."
For å gjøre det jobber teamet på en robotanordning for å trekke og spinne fibre raskere og i større skala enn tidligere. De har hatt en viss suksess, sier Shah, og fortsetter å utforske prosessen.
"Vi er fremdeles i de tidlige stadiene av forskning, " sier han.
Teamets funn ble nylig publisert i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .
