La seda de araña es un biopolímero autoensamblante con enlaces de hidrógeno subyacentes a su estructura química, sin embargo, a pesar de un enlace químico débil, supera a la mayoría de los materiales en relación con el rendimiento mecánico. El biopolímero se produce a partir de la glándula ampolla mayor de la araña y es una fibra extraordinaria que puede superar a la mayoría de los materiales sintéticos en dureza mecánica al equilibrar la resistencia y la extensión / flexibilidad. Las propiedades de la seda de dragalina incluyen una alta conductividad térmica, dinámica de torsión peculiar y el potencial para una propagación de vibración excepcional. Para agregar más distinción a la fibra natural, la seda de la dragalina de araña muestra un efecto de memoria de forma gigante al exponerse al agua; en un efecto conocido como supercontracción. Las propiedades únicas y notables de la seda de dragalina se atribuyen a su estructura jerárquica y morfología.

En un estudio reciente, ahora publicado en Avances de la ciencia , Dabiao Liu y colaboradores en los campos de investigación multidisciplinarios de la ingeniería, física, mecánica molecular, ingeniería biomédica y ciencias de la vida, informe sobre la nueva característica del comportamiento torsional inducido por la humedad de la seda de araña. Demostraron el impacto de la seda de la dragalina de araña y los posibles orígenes estructurales de la respuesta torsional en el estudio con el potencial de diseñar una "clase completamente nueva de materiales". Comprender la relación estructura-propiedad de la seda de araña puede beneficiar a los científicos de materiales al proporcionar una impresión de la naturaleza física precisa del biopolímero. Se pueden diseñar nuevos biomateriales basados ​​en las importantes propiedades mecánicas de la seda de araña para traducir la relación estructura-propiedad del material en aplicaciones prácticas.

El material de seda de la dragalina de araña es sensible al agua y puede encogerse hasta en un cincuenta por ciento en longitud con hinchazón radial. El agua puede romper los enlaces de hidrógeno a alta humedad para reorganizar las moléculas nanocristalinas a configuraciones energéticas más bajas, resultando en supercontracción. En ciencias aplicadas e ingeniería, La supercontracción puede encontrar aplicaciones originales como músculos artificiales o actuadores de tracción. Por ejemplo, La seda de araña de Nephila clavipes y Ornithoctonus huwena puede mostrar un comportamiento de contracción-estiramiento reproducible debido al agua y la humedad. permitiendo que ocurra el levantamiento de pesas cíclico. Ejemplos recientes de tales aplicaciones incluyen músculos artificiales de torsión diseñados con polímeros sintéticos, nanotubos de carbono y fibras de grafeno.

Aunque estudios previos han investigado las propiedades torsionales de la seda de dragalina, El origen estructural de su comportamiento torsional queda por explorar en profundidad. En este trabajo, Liu y col. observó el comportamiento único de la seda de dragalina de araña en comparación con las fibras de control como la seda Bombyx mori, Fibra kevlar y cabello humano. Los científicos diseñaron los experimentos para revelar la respuesta personal escalonada de la seda de la dragalina al aumento de la humedad. Llevaron a cabo simulaciones atomísticas de las proteínas de dos componentes MaSp1 y MaSp2 para comprender el mecanismo del comportamiento de torsión estructural a nivel de la molécula. Luego propusieron una posible relación entre la deformación por torsión observada impulsada por la humedad y la estructura molecular de la seda de la dragalina.

Liu y col. sedas de dragalinas usadas de Nephila pilipes, Especies de arañas Nephila eduli y Argiope versicolor al replicar con éxito un método anterior para la recolección de muestras de seda. Utilizaron un aparato basado en el procesamiento de imágenes para estudiar la actuación torsional de las fibras delgadas impulsada por la humedad. En la configuración experimental, Los científicos utilizaron un péndulo de torsión hecho de una sola fibra encerrada en un gabinete de humedad y registraron el movimiento del péndulo usando una cámara de video mientras aumentaban o disminuían la humedad relativa (RH). Diseñaron dos protocolos diferentes para comprender la respuesta de las sedas de las dragalinas a los cambios de humedad; un protocolo aumentó la HR paso a paso para mantener valores altos durante un largo período de tiempo. En el segundo método, cambiaron cíclicamente la HR del 40 al 100 por ciento y regresaron al 40 por ciento cinco veces.

Usando microscopía electrónica de barrido (SEM), los científicos caracterizaron por primera vez la morfología y la estructura de las sedas de araña. Realizaron pruebas de detección en tres fibras de control; B. mori seda, cabello humano y fibra de kevlar. Los experimentos revelaron las respuestas torsionales de las fibras representativas a la humedad ambiental. Luego observaron contracciones / relajaciones cíclicas inducidas por la humedad de la seda de la dragalina de diferentes especies de arañas para comprender la actuación torsional impulsada por la humedad en la seda de la dragalina. Después de las pruebas, la superficie de la seda de la dragalina se volvió más rugosa que en la etapa inicial. La seda de araña de arrastre de N. pilipes logró una deformación torsional de aproximadamente 255 ⁰ / mm en una dirección, un valor mayor que el generado por los músculos artificiales de nanotubos de carbono (250 ⁰ / mm) alimentado por electricidad. El valor también fue 1000 veces mayor que los reportados para otros actuadores basados ​​en aleación con memoria de forma y polímeros conductores con capacidad de deformación por torsión. Para la seda de dragalina A. versicolor, la actuación de torsión comenzó al 70 por ciento de HR, este valor era más bajo que el de la seda de dragalina de N. pilipes pero aún comparable a los músculos de nanotubos de carbono.

Liu y col. luego comparó los resultados del segundo protocolo de cambios cíclicos de humedad en el que la seda de la dragalina de araña mostró una respuesta torsional sensible a la humedad, proporcionando un método para controlar la deformación por torsión. A medida que aumentaba el número de ciclos de HR, la velocidad de giro y la aceleración angular de la seda de la dragalina disminuyeron, indicando que la deformación torsional estaba alcanzando un estado de saturación. Los científicos registraron que todas las sedas se alargaban aproximadamente entre un 5 y un 10 por ciento después de cada prueba.

Dado que la torsión inducida por la humedad es una característica única de la seda de dragalina de araña, los científicos investigaron la estructura molecular y la morfología del material para revelar el mecanismo subyacente de este comportamiento. También analizaron las estructuras secundarias específicas y la organización estructural jerárquica de la molécula. Liu y col. mostró que la presencia de prolina en la proteína MaSp2 producía un giro unidireccional más pronunciado en la escala de una sola molécula. Por lo tanto, los científicos asumieron que la orientación del anillo de prolina lineal estriado puede haber forzado a la molécula a adoptar un patrón retorcido. Utilizando protocolos de simulación molecular a nivel de proteínas, explicaron el comportamiento de transición vítrea observado de la seda de araña a una HR alta.

De este modo, Liu y col. demostró que la seda de la dragalina de araña puede generar un gran giro (hasta 255 ⁰ / mm para N. pilipes y 127 ⁰ / mm para las sedas de dragalina de araña de A. versicolor) por debajo del 70 por ciento de HR. Los científicos demostraron que la actuación torsional del material se podía controlar simplemente ajustando el nivel de HR. La energía observada generada en la seda de la dragalina no fue pasiva, sino un cambio activo de estado en respuesta a la fuerza impulsora de la humedad. El giro inducido por la humedad hizo que la seda de la dragalina actuara como un actuador de torsión. Estos resultados de la investigación tendrán aplicaciones en el desarrollo de robots blandos impulsados ​​por la humedad, sensores novedosos de humedad precisa, textiles inteligentes o dispositivos de energía verde.

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