Используемый для изготовления красивой и модной одежды шёлк является прочным материалом. Учёные сообщили о разработке нового способа, позволяющего сделать тонкие шёлковые нити ещё прочнее — путём скармливания тутовым шелкопрядам графена или одностенных углеродных нанотрубок. Полученный таким образом шёлк можно использовать в производстве особо прочных защитных тканей, биоразлагаемых медицинских имплантатов и экологичных носимых гаджетов, говорят они.
Исследователи и раньше добавляли в шёлк красители, противомикробные вещества, проводящие полимеры и наночастицы — либо обрабатывая шёлковую пряжу специальными составами или добавляя их в пищу личинкам тутового шелкопряда. Гусеницы шелкопряда прядут шёлковые нити из раствора протеина шёлка, выделяемого их слюнной железой.
Для того, чтобы получить усиленный углеродом шёлк, исследователь Инин Чжан с коллегами из Университета Цинхуа кормили червей листьями шелковицы или тутового дерева, опрысканными водными растворами с содержанием 0,2 процента углеродных нанотрубок или графена, а затем собирали шёлк после того, как гусеницы сплетали из шёлковых нитей коконы, как это обычно и делается в производстве шёлка. Для обработки готовой пряжи требуется использовать токсичные химические составы с растворёнными в них наноматериалами, поэтому метод кормления шелкопряда является более удобным и экологически чистым.
Модифицированный шёлк получается почти в два раза прочнее обычного и может выдержать на 50 процентов большее растяжение до разрыва нити. Учёные нагревали шёлковые волокна до температуры 1050° С для карбонизации белка шёлка, а затем изучали его структуру и измеряли проводимость. Такой шёлк, в отличие от обычного, был способен проводить электричество. Комбинационная спектроскопия и электронная микроскопия показали, что сверхпрочные шёлковые волокна имеют более упорядоченную кристаллическую структуру за счёт встраиваемых наноматериалов.
Ряд вопросов остаётся пока без ответа. Один из них — каким образом шелкопряды добавляют наноматериалы в шёлк. Также не понятно, какой процент наноматериалов, съеденных личинками, остаётся в шёлке вместо того, чтобы выводиться из организма или иным образом преобразовываться в процессе обмена веществ. Углеродные материалы невозможно визуально обнаружить в сечениях шёлковых нитей, возможно, потому, что содержание наночастиц является очень низким, говорит Чжан. Ответы на эти вопросы могут найти биологи, добавляет она.
Специалист по химии полимеров Цин Шен из университета Дунхуа сообщил о проведении аналогичного исследования в 2014 году, когда для повышения прочностных характеристик шёлка использовались многостенные углеродные нанотрубки шириной 30 нм. Чжан говорит, что её команда использовала однослойные нанотрубки меньших размеров — от 1 до 2 нм шириной, которые «лучше подходят для включения в кристаллические структуры протеинов шёлка».
Эта работа предлагает «простой способ получения высокопрочных волокон шёлка в больших объёмах», — говорит специалист по материаловедению Яопен Чжан из университета Дунхуа, который кормил шелкопрядов наночастицами диоксида титана, чтобы создать сверхпрочный шёлк, обладающий устойчивостью к разложению под действием ультрафиолетовых лучей. По его словам, электропроводность нового шёлка делает его пригодным для создания датчиков, встроенных в смарт-ткани для считывания сигналов нервной системы.