セルロースを再組み立てすると、鋼よりも強くなりました

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Anonim
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科学者たちは、スパイダーシルクを含むすべての既知の生体高分子材料、および一部の鋼種を含む多くの合金よりも強度が優れている木材セルロース繊維から材料を作成しました。ジャーナルACSNanoに掲載された論文によると、研究者たちは繊維を人工糸に再組み立てすることでそのような結果を達成することができました。

スパイダーシルクやセルロースなどの天然素材の構造要素のいくつかは、非常に高い強度を示しますが、素材の特性を失います。これらの特性をマクロオブジェクトに転送したり、フィルムなどの異常な形状の材料を取得したりするために、科学者は材料を再組み立てするさまざまな方法を開発しています。この場合、構造要素は同じままですが、材料の構成と相互配置が変更されます。

ストックホルムの王立工科大学のダニエル・ソーダーバーグが率いるスウェーデン、米国、ドイツの科学者チームは、このアプローチを使用して、植物で最も豊富な構成要素の1つであるセルロース繊維をベースにした耐久性のある材料を作成しました。出発材料として、ノルウェーのトウヒとヨーロッパアカマツの混合物を取り、いくつかの段階で化学処理した後、静電反発力のために互いにくっつかなかった長さ約0.5マイクロメートルのナノファイバーの懸濁液を得ました。

すべての繊維を相互に整列させるために、研究者は流体の流れの中で流体力学的整列を使用しました。懸濁液はチャネルに供給され、粒子はチャネル内で自由に回転できます。その後、スラリーの流れはサイドチャネルからの水流に接続されて狭くなり、その中の粒子はより配向します。次に、酸性溶液を使用した別のフローのペアが、メインフローをさらに狭め、粒子を均一にし、粒子間の静電反発力を低減します。その結果、ファンデルワールス力によって粒子が互いにくっつきます。

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液体流中のセルロース繊維の整列

そのような手順の後、非共有相互作用によって一緒に保持された、ほぼ理想的に配向され、最密充填されたセルロース繊維から連続糸が形成される。これらの相互作用の強度はかなり小さいですが、繊維の配向性が高いため、繊維への影響が大きくなります。研究者たちはまた、繊維間の共有結合の形成を伴う繊維の化学的架橋でこれらの力を補おうとしました。これは顕著な結果をもたらしました-そのような糸の引張強度は1.43ギガパスカルであり、サンプルの1つでは1.57ギガパスカルでさえありました。比較のために、スパイダーシルクの強度は最大1.3ギガパスカルであり、ステンレス鋼の強度は通常数百メガパスカルです(この指標よりもまだ強い鋼種があることは注目に値します)。

昨年、ダニエル・ソダーバーグのグループは、スパイダーシルクタンパク質と組み合わせて、別の耐久性のあるセルロース繊維ベースの材料を作成しました。その結果、タンパク質がセルロース繊維をつなぐ接着剤として機能する、約ギガパスカルの強度の糸が得られました。

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