Som enhver, der nogensinde har glattet deres hår, ved, er vand fjenden.Hår, der omhyggeligt er glattet af varme, vil hoppe tilbage i krøller i det øjeblik, det rører vand.Hvorfor?Fordi hår har formhukommelse.Dens materialeegenskaber gør det muligt for den at ændre form som reaktion på visse stimuli og vende tilbage til sin oprindelige form som reaktion på andre.
Hvad hvis andre materialer, især tekstiler, havde denne form for formhukommelse?Forestil dig en t-shirt med køleventiler, der åbnes, når den udsættes for fugt og lukkes, når den er tør, eller tøj i en størrelse, der strækker sig eller krymper efter en persons mål.
Nu har forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) udviklet et biokompatibelt materiale, der kan 3D-printes i enhver form og forprogrammeres med reversibel formhukommelse.Materialet er lavet ved hjælp af keratin, et fibrøst protein, der findes i hår, negle og skaller.Forskerne udvandt keratinen fra resterende Agora-uld, der blev brugt til tekstilfremstilling.
Forskningen kan hjælpe den bredere indsats for at reducere spild i modeindustrien, en af de største forurenere på planeten.Allerede nu er designere som Stella McCarthy ved at genskabe, hvordan industrien bruger materialer, herunder uld.
"Med dette projekt har vi vist, at vi ikke kun kan genbruge uld, men vi kan bygge ting ud af genbrugsuld, som vi aldrig har forestillet os før," sagde Kit Parker, Tarr-familiens professor i bioteknik og anvendt fysik ved SEAS og senior avisens forfatter."Konsekvenserne for naturressourcernes bæredygtighed er klare.Med genbrugt keratinprotein kan vi gøre lige så meget eller mere end det, der hidtil er blevet gjort ved at klippe dyr, og dermed reducere miljøbelastningen fra tekstil- og modeindustrien.”
Forskningen er publiceret i Nature Materials.
Nøglen til keratins formændrende evner er dens hierarkiske struktur, sagde Luca Cera, en postdoktor ved SEAS og førsteforfatter af papiret.
En enkelt kæde af keratin er arrangeret i en fjederlignende struktur kendt som alfa-helix.To af disse kæder snoes sammen for at danne en struktur kendt som en oprullet spole.Mange af disse oprullede spoler er samlet til protofilamenter og til sidst store fibre.
"Organisationen af alfa-helixen og de bindende kemiske bindinger giver materialet både styrke og formhukommelse," sagde Cera.
Når en fiber strækkes eller udsættes for en bestemt stimulus, rulles de fjederlignende strukturer ud, og bindingerne justeres igen for at danne stabile beta-sheets.Fiberen forbliver i den position, indtil den udløses til at rulle tilbage til sin oprindelige form.
For at demonstrere denne proces 3D-printede forskerne keratinplader i en række forskellige former.De programmerede materialets permanente form - den form, det altid vil vende tilbage til, når det udløses - ved hjælp af en opløsning af hydrogenperoxid og mononatriumphosphat.
Når hukommelsen var indstillet, kunne arket omprogrammeres og støbes til nye former.
For eksempel blev et keratinark foldet til en kompleks origamistjerne som dens permanente form.Da hukommelsen var sat, dunkede forskerne stjernen i vand, hvor den foldede sig ud og blev formbar.Derfra rullede de lagen til et tæt rør.Efter tørring blev lagen låst ind som et fuldt stabilt og funktionelt rør.For at vende processen satte de røret tilbage i vandet, hvor det rullede sig ud og foldede sig tilbage til en origamistjerne.
"Denne to-trins proces med 3D-print af materialet og derefter indstilling af dets permanente former giver mulighed for fremstilling af virkelig komplekse former med strukturelle funktioner ned til mikronniveau," sagde Cera."Dette gør materialet velegnet til en bred vifte af applikationer fra tekstil til vævsteknologi."
"Uanset om du bruger fibre som denne til at lave brystholdere, hvis skålstørrelse og form kan tilpasses hver dag, eller du forsøger at lave aktiveringstekstiler til medicinsk behandling, er mulighederne for Lucas arbejde brede og spændende," sagde Parker."Vi fortsætter med at genskabe tekstiler ved at bruge biologiske molekyler som tekniske substrater, som de aldrig har været brugt før."
Indlægstid: 21. september 2020