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Su descubrimiento inicial había parecido una contradicción porque la mayoría de las otras fibras de polímero se debilitan con el frío. Pero después de muchos años de trabajar en el problema, el grupo de investigadores ha descubierto que la dureza criogénica de la seda se basa en sus fibrillas a nanoescala. El orden y la jerarquía submicroscópicos permiten que una seda resista temperaturas de hasta -200 C.Y posiblemente incluso más bajas, lo que haría que estas clásicas fibras naturales de lujo fueran ideales para aplicaciones en las profundidades del frío espacio exterior.
El equipo interdisciplinario examinó el comportamiento y la función de varias sedas animales enfriadas a una temperatura de nitrógeno líquido de -196 C.Las fibras incluían sedas de araña, pero el estudio se centró en las fibras más gruesas y mucho más comerciales del gusano de seda salvaje. Antheraea pernyi .
En un artículo publicado hoy en Fronteras de la química de los materiales , el equipo pudo mostrar no solo "eso" sino también "cómo" la seda aumenta su dureza en condiciones en las que la mayoría de los materiales se volverían muy frágiles. En efecto, la seda parece contradecir la comprensión fundamental de la ciencia de los polímeros al no perder, sino ganar calidad en condiciones realmente frías al volverse más fuerte y más elástica. Este estudio examina el "cómo" y explica el "por qué". Resulta que los procesos subyacentes se basan en las numerosas fibrillas de tamaño nanométrico que forman el núcleo de una fibra de seda.
De acuerdo con la teoría tradicional de polímeros, el estudio afirma que las fibrillas individuales se vuelven más rígidas a medida que se enfrían. La novedad e importancia del estudio radica en la conclusión de que este endurecimiento conduce a un aumento de la fricción entre las fribrillas. Esta fricción, a su vez, aumenta la desviación de la energía de la fisura al mismo tiempo que resiste el deslizamiento de las fibrillas. El cambio de temperatura también modularía la atracción entre las moléculas de proteína de seda individuales, lo que a su vez afectaría las propiedades centrales de cada fibrilla. que se compone de muchos miles de moléculas.
En tono rimbombante, la investigación es capaz de describir el proceso de endurecimiento tanto a nivel de micras como de nanoescala. El equipo concluye que cualquier grieta que atraviesa el material se desvía cada vez que golpea una nano-fibrilla, lo que la obliga a perder cada vez más energía en los numerosos desvíos que tiene que sortear. Y así, una fibra de seda solo se rompe cuando los cientos o miles de nano-fibrillas se han estirado primero y luego se han deslizado y luego todas se han roto individualmente.
El descubrimiento está superando los límites porque estudió un material en el área conceptualmente difícil y tecnológicamente desafiante que no solo abarca las micras y las nanoescalas, sino que también debe estudiarse a temperaturas muy por debajo de cualquier congelador. El tamaño de las escalas estudiadas varía desde el tamaño del micrón de la fibra hasta el tamaño submicrométrico de un haz de filamentos hasta la nanoescala de las fibrillas y, por último, pero no menos importante, al nivel de estructuras supramoleculares y moléculas individuales. En el contexto de la ciencia de vanguardia y las aplicaciones futuristas, vale la pena recordar que la seda no es solo una fibra 100% biológica, sino también un producto agrícola con milenios de I + D.
Parecería que este estudio tiene implicaciones de gran alcance al sugerir un amplio espectro de aplicaciones novedosas para las sedas que van desde nuevos materiales para su uso en las regiones polares de la Tierra hasta compuestos novedosos para aviones ligeros y cometas que vuelan en el estrato y mesosfera. para, quizás, incluso telas gigantes tejidas por arañas robot para atrapar basura astronómica en el espacio.
Profesor Fritz Vollrath, del Departamento de Zoología de la Universidad de Oxford, dijo:"Prevemos que este estudio conducirá al diseño y fabricación de nuevas familias de compuestos y filamentos estructurales resistentes utilizando filamentos naturales e inspirados en la seda para aplicaciones en condiciones de frío extremo, como el espacio".
Profesor Zhengzhong Shao, del Departamento de Ciencias Macromoleculares de la Universidad Fudan de Shanghai, dijo:'Concluimos que la excepcional tenacidad mecánica de la fibra de seda a temperaturas criogénicas se deriva de su alta alineación y orientación, morfología nanofibrilar relativamente independiente y extensible ».
Dr. Juan Guan de la Universidad de Beihang, en Beijing, dijo:"Este estudio proporciona conocimientos novedosos sobre nuestra comprensión de las relaciones estructura-propiedad de los materiales naturales de alto rendimiento que esperamos conduzcan a la fabricación de polímeros y compuestos artificiales para aplicaciones de baja temperatura y alto impacto".
Y el Dr. Chris Holland de la Universidad de Sheffield, líder de un consorcio europeo de investigación sobre novelas, bio-fibras sostenibles basadas en conocimientos sobre la hilatura de seda natural dijo:'Las sedas naturales continúan demostrando ser materiales estándar de oro para la producción de fibra. El trabajo aquí identifica que no es solo la química, pero cómo se hilan las sedas y, en consecuencia, cómo se estructuran, ese es el secreto de su éxito ”.
Los próximos pasos de la investigación probarán aún más las sorprendentes propiedades. Una empresa spin-out, Spintex Ltd, de la Universidad de Oxford, parcialmente financiado por una subvención de la UE H2020, está explorando el hilado de proteínas de seda a la manera de la araña y se centra en copiar las estructuras submicrométricas de fibrillas agrupadas.
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