Тутовый шелкопряд — относительно крупная одомашненная бабочка, которую китайцы как минимум 5000 лет используют для производства шёлка (вероятно, после нескольких столетий или тысячелетий селекции). Долгое время Китай был мировым монополистом, поставляя красивую ткань в Европу по торговому пути, который назвали Шёлковым путём. Потом византийцы выкрали яйца шелкопряда, а затем и европейцы добыли их благодаря крестовым походам.

Впрочем, здесь не о хитрых китайцах с их тысячелетними бизнес-планами, а об уникальном материале, которым является шёлк сам по себе. Это натуральный белок, один из самых прочных в природе. Волокно состоит на 75% из фиброина и на 25% из серицина. Под микроскопом заметны две параллельно идущие нити фиброина с комкообразными налётами серицина. Кроме них, в шёлке присутствуют воски и жиры, а также минеральные вещества. Ширина шёлковой нити 32 мкм, длина может достигать 1,5 километров. Разрывное напряжение около 40 кгс/мм2.

Шёлк — выдающийся материал, и учёные предпринимали неоднократные попытки улучшить шёлковое волокно с помощью различных функциональных компонентов, таких как краски, флуоресцентные протеины, антимикробные средства, наночастицы металлов/полупроводников, а также электропроводящие полимеры.

Для модификации шёлкового волокна применяется две основные стратегии: модификация готовой нити и обогащение материала в процессе его производства (пищеварения) внутри шелкопряда. Первый из этих техпроцессов довольно сложный, многоэтапный и требует применения ядовитых реагентов. Для сравнения, недавно изобретённый способ обогащения шёлка внутри шелкопряда — вполне экологически чистый и относительно простой процесс. Нужно только посадить шелкопрядов на диету.

Учёные с химического факультета и центра нано- и микромеханики Университета Цинхуа (Пекин) предложили новый способ обогащения шёлкового волокна с помощью углеродных нанотрубок и графена.

Углеродные нанотрубки и графен обладают великолепными механическими характеристиками и широко используются в производстве высокопрочных материалов. Было несколько попыток добавить углеродные нанотрубки в шёлк путём модификации готовой нити или добавления в рацион шёлкопрядов. Похожие опыты проводились с пауками. В прошлом эксперименте шелкопрядам скармливали многостенные нанотрубки диаметром около 30 нм. Сейчас китайские учёные логично предположили, что для пищеварительной системы шелкопрядов и внедрения в структуру фиброина гораздо более приемлемыми окажутся не многостенчатые, а одностенчатые нанотрубки диаметром около 1-2 нм. Забегая вперёд, они не ошиблись.

Кроме одностенчатых нанотрубок, учёные решили скормить шелкопрядам ещё и графен, тоже потенциальный упрочнитель. Чтобы скормить материалы животным, учёные применили простой метод: они распылили взвесь с одностенчатыми нанотрубками и графеном на листья шелковицы, которыми питаются шелкопряды — а потом собрали продукт из кокона.

Опыт завершился успехом. Диета шелкопрядов с добавками одностенчатых нанотрубок и графена привела к получению шёлковой нити с улучшенными свойствами. Нить получена естественным натуральным путём из кокона, как и обычная шёлковая нить.

Учёные изучили спектры комбинационного рассеяния шёлкового волокна и экскрементов шелкопрядов — и подтвердили в обоих случаях внедрение углеродных нанотрубок в шёлковое волокно. Они также проверили, насколько изменились свойства волокна после внедрения углеродных нанотрубок.

На иллюстрациях показана схема эксперимента, фотографии коконов, полученных после кормления шелкопрядов листьями шелковицы с нанесённой взвесью нанотрубок концентрацией по массе 0,2% и 1,0% и взвесью графена с концентрацией 0,2% и 2,0%. Показаны фотографии со сканирующего электронного микроскопа для каждого образца шёлковой нити и диаграмма с характеристиками растяжимости нити

Другие механические характеристики улучшенных шёлковых волокон показаны в таблице: разрывное напряжение, максимальное растяжение до разрыва и модуль упругости.

Как понятно из таблицы, предстоит провести ещё ряд экспериментов, чтобы найти оптимальную концентрацию углеродных нанотрубок и графена в диете шелкопрядов, чтобы у них получались нити большей прочности. Мы видим, что диета с более слабой концентрацией SWNT1-S и GR1-S привела к производству волокна с гораздо лучшими свойствами, чем диета с более высокой концентрацией SWNT2-S и GR2-S.

Неудивительно, что после добавления графена и углеродных нанотрубок шёлковая нить стала проводником электричества. У лучшего образца шёлка с частицами графена электрическая проводимость составила довольно высокие 120 сименс на сантиметр. Такой шёлк можно использовать в электронике. Удобно запитывать носимые гаджеты, вшитые прямо в шёлковую одежду. Собственно, и светящуюся ткань сделать достаточно просто.

На фотографиях с просвечивающего электронного микроскопа хорошо видно, что шёлковые волокна с глеродными нанотрубками (посередине) и графеном (внизу) гораздо лучше структурированы, чем обычный шёлк (вверху).

Интересный материал, скоптпастил с гиктаймс!

Привет от шелкопрядика :3

(Мистер Баян ругался на это милое создание)

Гусеница тутового шелкопряда в течение 26-32 дней питается исключительно листьями дерева шелковицы, после чего сплетает для себя кокон из непрерывной шёлковой нити длиной от 300 до 1500 метров. Эти белые коконы активно используются в текстильной промышленности для производства шёлка. Толщина шёлкового волокна составляет всего 20-30 микрометров, а разрывное напряжение – около 40 кгс/мм². Не так давно китайским учёным удалось в ходе необычного эксперимента получить куда более прочную шёлковую нить с необычными свойствами, способную заинтересовать даже Спайдермена.

Учёные из китайского Университета Цинхуа путём несложных махинаций заставили гусениц тутового шелкопряда вырабатывать шёлковую нить, укреплённую углеродными нанотрубками. Для этого нескольких особей на протяжении некоторого времени кормили привычным им кормом — листьями шелковицы, предварительно опрысканными раствором с 0,2-процентным содержанием углеродных нанотрубок или графена. После этого гусеницам позволяли сплести кокон. Исследования показали, что полученное шёлковое волокно оказалось на 50% прочнее обычного. Ещё одним необычным свойством волокна стала его электропроводность, правда для этого нужно сначала прогреть нить до температуры 1050 градусов Цельсия. После охлаждения свойства материала сохраняются.

Китайские исследователи отмечают, что метод производства такой нити посредством кормления гусениц графеном куда более прост в реализации и ощутимо экологичнее, нежели если обрабатывать нанотрубками уже готовые нити. В случае постобработки пришлось бы растворять наноматериалы токсичными растворителями, следы которых в итоге могли бы остаться на нитях. Организм гусениц же весьма эффективно проделывает всё вместо опасных реагентов. Полученный материал в будущем можно будет использовать для создания сверхтонкой электропроводки, встроенной в умную одежду. Согласитесь, это куда приятнее, нежели толстые металлические провода.

Автор: СЕРГЕЙ ГРЭЙ

Оригинал тут.