Quando i ragni girano le loro ragnatele, usano le zampe posteriori per tirare i fili di seta dalle loro fili. Questa azione di trazione non aiuta solo a rilasciare la seta, è anche un passo cruciale per rafforzare le fibre di seta per una rete più durevole.
In un nuovo studio, i ricercatori della Northwestern University hanno scoperto perché il ruolo dello stretching è così importante. Simulando la seta di ragno in un modello computazionale, il team ha scoperto che il processo di stretching allinea le catene proteiche all’interno delle fibre e aumenta il numero di legami tra quelle catene. Entrambi i fattori portano a fibre più forti e più difficili.
Il team ha quindi convalidato queste previsioni computazionali attraverso esperimenti di laboratorio utilizzando la seta di ragno ingegnerizzate. Queste intuizioni potrebbero aiutare i ricercatori a progettare proteine ispirate alla seta ingegnerizzate e processi di rotazione per varie applicazioni, tra cui suture forti e biodegradabili e armature didattiche, ad alte prestazioni e a prova di esplosione.
Lo studio sarà pubblicato venerdì (7 marzo) sulla rivista Progressi scientifici.
“I ricercatori conoscevano già questo allungamento, o disegno, è necessario per realizzare fibre davvero forti”, ha dichiarato Sinan Keten di Northwestern, autore senior dello studio. “Ma nessuno sapeva necessariamente perché. Con il nostro metodo computazionale, siamo stati in grado di sondare ciò che sta accadendo in nanoscala per ottenere approfondimenti che non possono essere visti sperimentalmente. Potremmo esaminare come il disegno si collega alle proprietà meccaniche della seta.”
“I ragni eseguono il processo di disegno in modo naturale”, ha dichiarato il nord -ovest di Jacob Graham, il primo autore dello studio. “Quando girano la seta dalla loro ghiandola di seta, i ragni usano le zampe posteriori per afferrare la fibra e tirarla fuori. Ciò allunga la fibra mentre si forma. Rende la fibra molto forte e molto elastica. Abbiamo scoperto che puoi modificare le proprietà meccaniche della fibra semplicemente modificando la quantità di allungamento.”
Esperto di materiali bioindicati, Keten è il professore di ingegneria di Jerome B. Cohen, professore e presidente associato di ingegneria meccanica e professore di ingegneria civile e ambientale presso la McCormick School of Engineering di Northwestern. Graham è un dottorato di ricerca. Studente nel gruppo di ricerca di Keten.
Più forte dell’acciaio, più duro di Kevlar
I ricercatori a lungo sono stati interessati alla seta di ragno a causa delle sue straordinarie proprietà. È più forte dell’acciaio, più duro di Kevlar e elastico come la gomma. Ma i ragni agricoli per la loro seta naturale sono costosi, ad alta intensità di energia e difficili. Quindi, gli scienziati vogliono invece ricreare materiali simili alla seta in laboratorio.
“La seta di ragno è la fibra organica più forte”, ha detto Graham. “Ha anche il vantaggio di essere biodegradabili. Quindi, è un materiale ideale per le applicazioni mediche. Potrebbe essere utilizzato per suture chirurgiche e gel adesivi per la chiusura della ferita perché degradare naturalmente, innocuamente nel corpo.”
Il coautore dello studio Fuzhong Zhang, professore di Francis F. Ahmann alla Washington University (Washu) a St. Louis, ha ingegneristico i microbi per produrre materiali a seta di ragno per diversi anni. Extrugando le proteine della seta di ragno ingegnerizzate e quindi allungandole a mano, il team ha sviluppato fibre artificiali simili ai fili della tessitrice della sfera di seta dorata, un grande ragno con una rete straordinariamente forte.
Simulando elenness
Nonostante abbia sviluppato questa “ricetta” per la seta di ragno, i ricercatori non comprendono ancora appieno il modo in cui il processo di rotazione cambi la struttura e la forza delle fibre. Per affrontare questa domanda aperta, Keten e Graham hanno sviluppato un modello computazionale per simulare la dinamica molecolare all’interno della seta artificiale di Zhang.
Attraverso queste simulazioni, il team nord -occidentale ha esplorato come lo stretching influisce sulla disposizione delle proteine all’interno delle fibre. In particolare, hanno esaminato come lo stretching cambia l’ordine delle proteine, la connessione delle proteine tra loro e il movimento delle molecole all’interno delle fibre.
Keten e Graham hanno scoperto che lo stretching ha causato la “fila” delle proteine, il che ha aumentato la forza generale della fibra. Hanno anche scoperto che lo stretching ha aumentato il numero di legami idrogeno, che agiscono come ponti tra le catene proteiche per costituire la fibra. L’aumento dei legami idrogeno contribuisce alla forza, alla tenacità e all’elasticità complessive della fibra.
“Una volta estrusa una fibra, le sue proprietà meccaniche sono in realtà piuttosto deboli”, ha detto Graham. “Ma quando si estende fino a sei volte la sua lunghezza iniziale, diventa molto forte.”
Convalida sperimentale
Per convalidare i loro risultati computazionali, il team ha utilizzato le tecniche di spettroscopia per esaminare come le catene proteiche si sono estese e allineate in fibre reali del team di Washu. Hanno anche usato i test di trazione per vedere quanto allungamento delle fibre potevano tollerare prima di rompersi. I risultati sperimentali sono d’accordo con le previsioni della simulazione.
“Se non allunghi il materiale, hai questi globi sferici di proteine”, ha detto Graham. “Ma lo stretching trasforma questi globi in una rete più interconnessa. Le catene proteiche si accumulano l’una sull’altra e la rete diventa sempre più interconnessa. Le proteine in bundle hanno più potenziale per svelare ed estendersi ulteriormente prima delle rotture della fibra, ma inizialmente le proteine estese fanno per le fibre meno estensibili che richiedono una maggiore forza per rompere.”
Sebbene Graham pensasse che i ragni fossero solo raccapriccianti, ora vede il loro potenziale per aiutare a risolvere problemi reali. Nota che la seta di ragno ingegnerizzata fornisce un’alternativa biodegradabile più forte ad altri materiali sintetici, che sono principalmente materie plastiche derivate dal petrolio.
“Guardo sicuramente i ragni sotto una nuova luce”, ha detto Graham. “Pensavo che fossero fastidi. Ora, li vedo come una fonte di fascino.”
Lo studio, “tracciare l’involucro delle proprietà meccaniche delle fibre di seta sintetiche attraverso la modellazione predittiva del processo di disegno”, è stato supportato dalla National Science Foundation (numeri di sovvenzione OIA-2219142 e DMR-2207879).
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
