Η φύση έχει εμπνεύσει τους ανθρώπους να προετοιμάσουν διάφορες βιονικές δομές. Η εξαιρετική αντοχή και σκληρότητα του φυσικού μεταξιού αράχνης οφείλεται κυρίως στην ειδική ιεραρχική του δομή, όπως σημεία διασύνδεσης β-φύλλων, σπειροειδείς νανομονάδες με πολύ διατεταγμένες μοριακές αλυσίδες και άκαμπτα περιβλήματα και μαλακούς πυρήνες. Πολλοί ερευνητές έχουν προσομοιώσει αυτές τις ιδιότητες για να επιτύχουν καλύτερες ιδιότητες των τεχνητών ινών. Ωστόσο, παραμένει μια πρόκληση η επιδέξια χρήση της διαδικασίας spinning και ταυτόχρονα η συνειδητοποίηση αυτών των ιεραρχικών χαρακτηριστικών.

Zun-feng liu πρόσφατα, πανεπιστήμιο nankai, φαρμακευτικό πανεπιστήμιο της Κίνας Zhou Xiang mei-fang zhu με ερευνητική ομάδα πανεπιστημίου donghua εμπνευσμένη από τη δομή πρωτεΐνης μεταξιού αράχνης, την παρασκευή ενός είδους διαλυτού νανοτζελ με σταυροειδείς δεσμούς, παρόμοια περιστροφή μεταξιού αράχνης και την ιεραρχική δομή του ίνα με σταυροειδείς δεσμούς, καθώς τα ινώδη υλικά άμεσης περιστροφής με υψηλή αντοχή και υψηλή αντοχή παρέχει μια νέα στρατηγική.

Οι β-νιφάδες στις πρωτεΐνες μεταξιού αράχνης λειτουργούν ως σημεία διασταύρωσης και τα δίκτυα διασύνδεσής τους βρίσκονται μέσα σε νανοσφαιρικές πρωτεΐνες. Ως αποτέλεσμα, οι πρωτεΐνες του μεταξιού αράχνης είναι διαλυτές και μπορούν να κλωστούν απευθείας σε πολυεπίπεδες ίνες με αυτοσυναρμολόγηση. Εμπνευσμένοι από τη δομή και τη διαδικασία κλώσης του μεταξιού αράχνης, οι ερευνητές παρασκεύασαν διαλυτές νανοπηκτές με εσωτερικό δίκτυο διασταύρωσης. Παρασκευάστηκαν νανοπηκτές κατάλληλες για διαφορετικά μονομερή με έλεγχο της συγκέντρωσης του παράγοντα διασύνδεσης στη διαδικασία πολυμερισμού ελεύθερων ριζών. Όταν η περιεκτικότητα του παράγοντα διασύνδεσης αυξάνεται από 0.15% σε 1.05%, η διάμετρος και η ποσότητα συσσωμάτωσης των μακρομορίων νανο-γέλης αυξάνονται σταδιακά.

Για να διερευνήσουν τη σχέση μεταξύ της εφελκυστικής ικανότητας περιστροφής του νανοπηκτώματος και του μεγέθους των σωματιδίων του, οι ερευνητές περιέστρεψαν τις ίνες σε έναν μηχανικό δοκιμαστή μέχρι να σπάσουν οι ίνες ενώ μέτρησαν τη μηχανική καταπόνηση. Το θεωρητικό μοντέλο προβλέπει ότι η κρίσιμη τάση είναι αντιστρόφως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της ακτίνας των νανοσωματιδίων.

Προκειμένου να διερευνηθεί περαιτέρω εάν το μέγεθος και η διάταξη των νανοσυστατικών μπορούν να προσαρμοστούν με την προσθήκη πυρηνοποιητικών σωματιδίων για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των ινών, οι ερευνητές ετοίμασαν το σύμπλεγμα μονού τοιχώματος νανοσωλήνων άνθρακα/πολυντοπαμίνης (SWNT-PDA) και συνέθεσαν τη νανοπηκτή. με 0.15% παράγοντα διασύνδεσης παρουσία SWNt-PDA. Μελετήθηκε η επίδραση των πυρηνοποιούμενων σωματιδίων στη δομή και τις ιδιότητες των ινών νανο-γέλης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με την αύξηση της περιεκτικότητας σε ΤΗΕ του SWnT-PDA, η αντοχή σε θραύση, η τάση θραύσης και η σκληρότητα των ινών νανοπηκτής εμφανίζουν αυξητική τάση και τα νανοεξαρτήματα είναι πιο τακτοποιημένα και η μέση διάμετρος μειώνεται.

Με την προέκταση, η διάταξη της μοριακής αλυσίδας αυξάνεται σημαντικά και η μέση διάμετρος της ίνας μειώνεται. Για ίνες με παραμόρφωση 50%, η δομική εξέλιξη βελτιώνει σημαντικά τη μηχανική αντοχή και μειώνει την επιμήκυνση κατά τη θραύση. Μετά από περαιτέρω βελτιστοποίηση περιστροφής, επιτεύχθηκε τελικά ο συνδυασμός αντοχής θραύσης ινών 1.27 gpa και σκληρότητας 383 MJ /m3, που είναι πολύ κοντά στην απόδοση του φυσικού μεταξιού αράχνης.

Η σχετική εργασία δημοσιεύτηκε στο Advanced Materials με τον τίτλο "Protein-like Nanogel for Spinning Hierarchically Structured Artificial Spider Silk".