1866
Целюлоза є найпоширенішим природним полімером на Землі, але зробити з неї волокно, яке одночасно буде дуже міцним і не крихким, непросто. Дослідники з Anhui Agricultural University і Zhejiang University створили cellulose metafibers, у яких нанофібрили не просто витягнуті вздовж нитки, а організовані в багаторівневу закручену структуру. У тестах такий матеріал досяг tensile strength 3,29 gigapascal й водночас зберіг високу toughness.
Потреба в подібних матеріалах очевидна: petroleum-based synthetic fibers широко використовують у текстилі, композитах і захисних матеріалах, але вони повільно розкладаються й є джерелом microplastic pollution.
Целюлоза приваблива відновлюваним походженням і біорозкладністю. Її слабке місце — механіка. Якщо нанофібрили максимально вирівняти в одному напрямку, можна отримати високу міцність на розтяг, але нитка стає крихкою й легко руйнується після появи тріщини.
Павутинний шовк показує інший принцип. Його властивості визначає не лише хімія білка, а й багаторівнева організація, яка дозволяє структурам ковзати, переорієнтовуватися й розсіювати енергію перед остаточним розривом.
Команда використала bioinspired hydrodynamic twisting. Потік рідини змушує cellulose nanofibrils формувати закручені hierarchical bundles. У результаті навантаження не концентрується в одному слабкому місці, а розподіляється між різними рівнями структури.
Коли виникає мікротріщина, вона не відразу проходить через увесь поперечник. Закручені елементи можуть частково рухатися один відносно одного й поглинати енергію, що підвищує toughness без різкої втрати міцності.
У випробуваннях tensile strength сягнула 3,29 GPa. За сукупністю механічних властивостей матеріал наблизився до high-performance synthetic fibers, а його поведінку автори порівнюють із spider silk.
При цьому основою залишається целюлоза, тому волокно повністю biodegradable. Потенційні сфери застосування — текстиль, композити, армувальні матеріали й інші продукти, де сьогодні потрібна синтетика з високою міцністю.
До промислового використання ще потрібно довести масштабованість процесу, стабільність великих партій і конкурентну собівартість. Але сама робота показує, що природний матеріал можна суттєво посилити не новою хімією, а правильною архітектурою.
