Прочный и биосовместимый. Новая технология термопрессования превратила шелк в конкурента кевлара и углеродного волокна

Уникальность технологии заключается в том, что волокна не растворяют и не используют никаких синтетических добавок. Полученный композит по своей прочности и вязкости не уступает современным аналогам, оставаясь полностью биосовместимым и пригодным для использования в медицине.

Традиционные методы обработки обычно расщепляют натуральное сырье на отдельные белки фиброина, из-за чего теряется значительная часть природной прочности. Зато авторы нового проекта отказались от химического растворения. Они предложили напрямую соединять выровненные шелковые волокна с помощью контролируемого тепла и давления. Такой одноэтапный процесс позволяет сохранить большую часть первоначальной молекулярной структуры шелка.

В качестве исходного сырья специалисты использовали обычные коммерческие волокна коконов шелкопряда, которые применяют в текстильной промышленности. Сначала с помощью слабого раствора карбоната натрия с волокон удалили серицин — липкое природное покрытие. После этого нити выровняли и подвергли горячему прессованию под строгим контролем. Ученые определили оптимальный диапазон температур для обработки, который составляет от 125 °C до 215 °C, и диапазон давления от 192,5 МПа до 993 МПа (что соответствует эквиваленту 1900−9800 атмосфер). При нагревании аморфные, более подвижные части белковой структуры размягчались и надежно скрепляли соседние волокна, тогда как кристаллические области, отвечающие за гибкость и прочность, оставались неповрежденными.

На микроскопическом уровне готовая структура напоминает древесину, где выровненные пучки волокон прочно сцеплены между собой, что гарантирует эффективное распределение механической нагрузки. По словам разработчиков, созданный сплавленный шелк существенно превзошел кость и дерево по прочности на растяжение и максимально приблизился к показателям кевлара. Более того, материал продемонстрировал более высокую баллистическую ударопрочность, чем некоторые полимерные композиты, армированные углеродным волокном.

Исследователи уже провели успешные тестирования на животных, которые подтвердили высокий потенциал изобретения в биомедицине. Материал вызвал лишь слабую иммунную реакцию, которая со временем уменьшалась. Кроме того, изменяя условия прессования, можно регулировать скорость разложения композита в организме: менее плотные варианты позволяют клеткам постепенно проникать внутрь, тогда как плотные формы остаются стабильными в течение длительного времени. Это делает материал идеальным для изготовления ортопедических имплантатов, в частности пластин, винтов и фиксаторов для костей.

Дополнительно ученые обнаружили способность сплавленного шелка поляризовать терагерцовое излучение. Это свойство является критически важным для современных сканеров в сфере безопасности, медицинской визуализации, а также для развития будущих технологий связи 6G, которые будут передавать данные в разы быстрее сетей 5G.

Результаты этого перспективного исследования были официально опубликованы в престижном научном журнале Nature Sustainability.