Las arañas ingieren nanotubos y luego tejen seda reforzada con carbono

La seda de araña es uno de los materiales más extraordinarios conocidos por la ciencia. La fibra de proteína, hilada por las arañas para hacer telarañas, es más fuerte que casi cualquier cosa que los humanos puedan hacer.

Las arañas de seda de dragalina que usan para hacer el borde exterior y los radios de una telaraña es algo increíble. Coincide con el acero de aleación de alto grado en cuanto a resistencia a la tracción, pero tiene una sexta parte de la densidad. También es muy dúctil, a veces capaz de estirarse hasta cinco veces su longitud.

Esta combinación de resistencia y ductilidad hace que la seda de araña sea extremadamente resistente, igualando la dureza de las fibras de carbono de última generación como el Kevlar.

Por lo tanto, no hace falta decir que la capacidad de hacer que la seda de araña sea aún más fuerte y resistente sería un golpe científico significativo. Es por eso que el trabajo de Nicola Pugno en la Universidad de Trento en Italia y algunos amigos es algo asombroso.

Estos muchachos han encontrado una manera de incorporar nanotubos de carbono y grafeno en la seda de araña y aumentar su fuerza y ​​dureza más allá de lo que había sido posible antes. El material resultante tiene propiedades como la resistencia a la fractura, el módulo de Young y el módulo de tenacidad más altos que cualquier otro que se haya medido jamás.

El enfoque del equipo es relativamente sencillo. Comenzaron con 15 arañas Pholcidae, recolectadas del campo italiano, que mantuvieron en condiciones controladas en su laboratorio. Recolectaron muestras de seda de dragalinas producidas por estas arañas como referencia.

Luego, el equipo usó un ingenioso truco para introducir nanotubos de carbono y hojuelas de grafeno en la seda de araña. Simplemente rociaron las arañas con agua que contenía nanotubos o copos y luego midieron las propiedades mecánicas de la seda que producían las arañas.

Para cada hebra de seda, fijaron la fibra entre dos soportes de cartón en forma de C y la colocaron en un dispositivo que puede medir la carga en una fibra con una resolución de 15 nanonewtons y cualquier desplazamiento de fibra con una resolución de 0,1 nanómetros.

Los resultados son una lectura impresionante. Medimos una resistencia a la fractura de hasta 5,4 GPa, un módulo de Young de hasta 47,8 GPa y un módulo de tenacidad de hasta 2,1 GPa, dicen Pugno y compañía. Este es el módulo de dureza más alto para una fibra, superando a las fibras poliméricas sintéticas de alto rendimiento (por ejemplo, Kelvar49) e incluso a las fibras anudadas más resistentes actuales, dicen.

En otras palabras, darles a las arañas agua infundida con nanotubos de carbono las hace tejer una seda más fuerte que cualquier otra fibra conocida.

El trabajo plantea algunas cuestiones interesantes. Para empezar, no está claro exactamente cómo las arañas incorporan nanotubos de carbono y escamas de grafeno en su seda. El equipo utiliza métodos espectroscópicos para mostrar que los materiales a base de carbono están presentes en la fibra, pero no pueden mostrar exactamente cómo.

Una posibilidad es que la seda se recubra con estos materiales a base de carbono después de ser hilada. Pugno y compañía no pueden descartar esto, pero dicen que es poco probable porque la estructura resultante no tendría la fuerza que midieron. No se espera que dicho revestimiento externo en la superficie de la fibra contribuya significativamente al fortalecimiento mecánico observado, dicen.

En cambio, el equipo dice que es más probable que las arañas ingieran el agua junto con los materiales a base de carbono y luego estos se incorporen a la fibra a medida que se hila. Entonces, los nanotubos y el grafeno terminan en la parte central de cada fibra, donde pueden tener el mayor impacto en su resistencia.

El equipo incluso ha simulado la estructura molecular resultante y dice que las propiedades mecánicas concuerdan bien con los resultados experimentales.

Hay desafíos por delante, por supuesto. Nadie ha descubierto una forma eficiente de cosechar seda de araña, aunque no por falta de intentos. Por lo tanto, un importante paso futuro será el desarrollo de una técnica de este tipo que pueda funcionar a escala industrial. Eso abriría el camino a aplicaciones generalizadas en todo, desde la reparación de tejidos hasta el diseño de prendas.

Esta no es la primera vez que los investigadores intentan modificar la seda de araña. Varios grupos han agregado elementos metálicos colocando la seda en el vapor apropiado. De esta manera han aumentado significativamente la fuerza y ​​dureza de la seda, aunque nunca en la medida en que lo han logrado Pugno y compañía.

Por eso su trabajo es impresionante. Las extraordinarias propiedades de la seda de araña son el resultado de 400 millones de años de evolución. Entonces, una mejora tan significativa es claramente algo especial.

Y la simplicidad de la técnica sugiere que se podría usar un enfoque similar en otros organismos. Este nuevo procedimiento de refuerzo también podría aplicarse a otros animales y plantas, lo que daría lugar a una nueva clase de materiales biónicos, afirman.

Ref: arxiv.org/abs/1504.06751 : Seda reforzada con grafeno o nanotubos de carbono hilados por arañas

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