أكلت ديدان القز الجرافين وصنعت خيط الحرير الذي يوصل الكهرباء

تتغذى ديدان القز غير المطمئنة على أوراق التوت مع رشها بنسبة 2 في المائة من الجرافين

، ودودة القز عبارة عن فراشة مستأنسة كبيرة نسبيًا يستخدمها الصينيون منذ 5000 عام على الأقل لإنتاج الحرير (ربما بعد عدة قرون أو آلاف السنين من الاختيار). لفترة طويلة ، كانت الصين محتكرًا عالميًا ، حيث زودت أوروبا بنسيج جميل على طول طريق التجارة ، والذي كان يسمى طريق الحرير. ثم سرق البيزنطيون بيض دودة القز ، ثم حصل عليهم الأوروبيون بفضل الحملات الصليبية.

ومع ذلك ، لا يتعلق الأمر هنا بالصين الماكر بخطط أعمالهم التي تمتد لألف عام ، ولكن حول المادة الفريدة ، التي هي الحرير في حد ذاته.هذا بروتين طبيعي ، واحد من أكثر البروتينات متانة في الطبيعة. الألياف 75٪ فبروين و 25٪ سيرسين. تحت المجهر ، يمكن ملاحظة خيوطين متوازيتين من الفيبرين مع غارات متكتلة من السيريسين. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي الشمع على الدهون والدهون ، بالإضافة إلى المعادن. عرض خيط الحرير 32 ميكرون ، يمكن أن يصل طوله إلى 1.5 كيلومتر. كسر الإجهاد من حوالي 40 كجم / مم ² .

الحرير مادة رائعة ، وقد قام العلماء بمحاولات متكررة لتحسين ألياف الحرير بمكونات وظيفية مختلفة مثل الدهانات وبروتينات الفلورسنت ومضادات الميكروبات والجسيمات النانوية المعدنية / شبه الموصلة والبوليمرات الموصلة للكهرباء.

لتعديل ألياف الحرير ، يتم استخدام استراتيجيتين رئيسيتين: تعديل الخيط النهائي وإثراء المادة أثناء إنتاجها (الهضم) داخل دودة القز. أول هذه العمليات التكنولوجية معقدة للغاية ومتعددة المراحل وتتطلب استخدام الكواشف السامة. للمقارنة ، فإن الطريقة التي تم اختراعها مؤخرًا لإثراء الحرير داخل دودة القز هي عملية صديقة للبيئة تمامًا وبسيطة نسبيًا. تحتاج فقط إلى زراعة دودة القز على نظام غذائي. اقترح

علماء من كلية الكيمياء ومركز الميكانيكا الدقيقة والنانوية بجامعة تسينغهوا (بكين) طريقة جديدة لإثراء ألياف الحرير باستخدام أنابيب الكربون النانوية والجرافين.

تتميز الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين بخصائص ميكانيكية ممتازة وتستخدم على نطاق واسع في إنتاج مواد عالية القوة. كانت هناك محاولات عديدة لإضافة أنابيب نانوية كربونية إلى الحرير عن طريق تعديل الخيوط النهائية أو إضافة ديدان الحرير إلى النظام الغذائي. تم إجراء تجارب مماثلة مع العناكب. في تجربة سابقة ، تم تغذية ديدان الحرير بأنابيب نانوية متعددة الجدران بقطر حوالي 30 نانومتر . الآن ، اقترح العلماء الصينيون منطقياً أنه بالنسبة للجهاز الهضمي لديدان الحرير وإدخال الفيبرين في الهيكل ، ليس الأنابيب النانوية متعددة المراحل ، ولكن ذات المرحلة الواحدة التي يبلغ قطرها حوالي 1-2 نانومتر ستكون مقبولة أكثر بكثير. بالنظر إلى المستقبل ، لم يكونوا مخطئين.

بالإضافة إلى الأنابيب النانوية أحادية المرحلة ، قرر العلماء إطعام الجرافين إلى ديدان القز ، وهي أيضًا مادة مقواة محتملة. لإطعام المواد للحيوانات ، استخدم العلماء طريقة بسيطة: قاموا برش تعليق مع الأنابيب النانوية أحادية المرحلة والجرافين على أوراق التوت التي تتغذى عليها دودة القز - ثم قاموا بجمع المنتج من شرنقة.

كانت التجربة ناجحة. أدى النظام الغذائي لديدان الحرير مع إضافة الأنابيب النانوية أحادية المرحلة والجرافين إلى إنتاج خيوط حرير ذات خصائص محسنة. يتم الحصول على الخيط بطريقة طبيعية من شرنقة ، مثل خيط الحرير العادي.

درس العلماء أطياف رامان من ألياف الحرير وبراز دودة القز - وفي كلتا الحالتين أكدوا دمج الأنابيب النانوية الكربونية في ألياف الحرير. كما فحصوا كيف تغيرت خصائص الألياف بعد إدخال الأنابيب النانوية الكربونية.


توضح الرسوم التوضيحية التصميم التجريبي ، وصور الشرانق التي تم الحصول عليها بعد تغذية دودة القز بأوراق التوت المغلفة بتعليق الأنابيب النانوية بتركيز كتلة 0.2٪ و 1.0٪ وتعليق الجرافين بتركيز 0.2٪ و 2.0٪. يتم عرض صور فوتوغرافية من مجهر إلكتروني ممسوح لكل عينة من خيوط الحرير ومخطط مع خصائص استطالة الخيط

. وتظهر خصائص ميكانيكية أخرى لألياف الحرير المحسنة في الجدول: إجهاد الشد ، إجهاد الشد الأقصى ومعامل المرونة.



كما هو واضح من الجدول ، لا يزال يتعين إجراء سلسلة من التجارب للعثور على التركيز الأمثل للأنابيب النانوية الكربونية والجرافين في النظام الغذائي لدودة القز ، بحيث تنتج خيوطًا ذات قوة أكبر. نرى أن النظام الغذائي بتركيز أقل من SWNT1-S و GR1-S أدى إلى إنتاج ألياف ذات خصائص أفضل بكثير من النظام الغذائي الذي يحتوي على تركيز أعلى من SWNT2-S و GR2-S.

ليس من المستغرب ، بعد إضافة الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية ، أصبح خيط الحرير موصلًا للكهرباء. في أفضل عينة من الحرير مع جزيئات الجرافين ، كانت الموصلية الكهربائية عالية جدًا 120 سيمنز في السنتيمتر. يمكن استخدام هذا الحرير في الإلكترونيات. من السهل تشغيل الأدوات القابلة للارتداء التي يتم خياطتها مباشرة في الملابس الحريرية. في الواقع ، إن صنع نسيج مضيء أمر بسيط للغاية.



تظهر الصور من مجهر إلكتروني للإرسال بوضوح أن ألياف الحرير ذات الأنابيب النانوية الكربونية (في المنتصف) والجرافين (أدناه) منظمة بشكل أفضل بكثير من الحرير العادي (أعلاه).

تم نشر المقالة العلمية في 13 سبتمبر 2016 في مجلة Nano Letters (doi: 10.1021 / acs.nanolett.6b03597).

Source: https://habr.com/ru/post/ar398343/