Ученые создали из волокон древесной целлюлозы материал, который по своей прочности превосходит все известные биополимерные материалы, в том числе паучий шелк, а также многие сплавы, в том числе некоторые марки стали. Таких результатов исследователям удалось добиться, пересобрав волокна в искусственную нить, сообщается в работе, опубликованной в журнале ACS Nano.

Некоторые структурные элементы природных материалов, таких как паучий шелк или целлюлоза, демонстрируют крайне высокую прочность, но теряют свои свойства в материале. Для того, чтобы перенести эти свойства в макрообъекты, а также получать материалы необычной формы, например, пленки, ученые разрабатывают различные методы пересборки материалов. При этом структурные элементы остаются теми же, однако их организация и взаимное расположение в материале меняется.

Группа ученых из Швеции, США и Германии под руководством Дэниела Содерберга (Daniel Söderberg) из Королевского технологического института в Стокгольме применила этот подход для создания прочного материала на основе волокон целлюлозы — одного из самых распространенных структурных элементов в растениях. В качестве исходного материала они взяли смесь деревянных волокон норвежской ели и сосны обыкновенной и после химической обработки в несколько стадий получили суспензию из нановолокон длиной около половины микрометра, не слипающихся из-за электростатического отталкивания.

Nitesh Mittal, KTH Stockholm

Для того, чтобы выровнять все волокна относительно друг друга исследователи воспользовались гидродинамическим выравниванием в потоке жидкости. Суспензия подается в канал и в нем частицы могут свободно вращаться. После этого поток суспензии соединяется с потоками воды из боковых каналов и сужается, а частицы в нем становятся более ориентированными. Затем еще одна пара потоков, но уже с кислотным раствором, еще больше сужает основной поток, выравнивает частицы, а также уменьшает электростатическое отталкивание между частицами, в результате чего силы Ван-дер-Ваальса заставляют их слипаться.

Выравнивание волокон целлюлозы в потоках жидкостей. Nitesh Mittal et al. / ACS Nano, 2018

После такой процедуры образуется сплошная нить из практически идеально ориентированных и плотноупакованных волокон целлюлозы, скрепляемых нековалентными взаимодействиями. Эти взаимодействия достаточно малы по своей силе, но их влияние на волокна усиливается благодаря высокой ориентированности волокон. Также исследователи попробовали дополнить эти силы химической сшивкой волокон с образованием ковалентных связей между ними. Это дало заметный результат — предел прочности на разрыв у такой нити составил 1,43 гигапаскаля, а для одного из образцов даже 1,57 гигапаскалей. Для сравнения, прочность паучьего шелка составляет до 1,3 гигапаскаля, а прочность нержавеющей стали обычно составляет несколько сотен мегапаскалей (стоит отметить, что существуют марки стали, которые все-таки прочнее этого показателя).

В прошлом году группа Дэниела Содерберга создала другой прочный материал на основе целлюлозных волокон, объединив их с белком паучьего шелка. В результате они получили нить с прочностью около гигапаскаля, в которой белок выступает в качестве клея, скрепляющего волокна целлюлозы.

Автор: Григорий Копиев