Seidenraupen aßen Graphen und machten einen Seidenfaden, der Elektrizität leitet

Ahnungslose Seidenraupen fressen Maulbeerblätter, die mit einer zweiprozentigen Suspension von Graphen bestreut sind

. Die Seidenraupe ist ein relativ großer domestizierter Schmetterling, den die Chinesen seit mindestens 5000 Jahren zur Herstellung von Seide verwenden (wahrscheinlich nach mehreren Jahrhunderten oder Jahrtausenden der Selektion). China war lange Zeit ein Weltmonopolist, der Europa entlang der Handelsstraße, die Seidenstraße genannt wurde, mit wunderschönem Stoff versorgte. Dann haben die Byzantiner Seidenraupeneier gestohlen, und dann haben die Europäer sie dank der Kreuzzüge bekommen.

Hier geht es jedoch nicht um die gerissenen Chinesen mit ihren tausendjährigen Geschäftsplänen, sondern um das einzigartige Material, das Seide an sich ist.Dies ist ein natürliches Protein, eines der haltbarsten in der Natur. Die Faser besteht zu 75% aus Fibroin und zu 25% aus Sericin. Unter dem Mikroskop sind zwei parallel verlaufende Fibroinfilamente mit klumpigen Sericinüberfällen erkennbar. Wachs enthält neben ihnen auch Fette und Fette sowie Mineralien. Die Breite des Seidenfadens beträgt 32 Mikrometer, die Länge kann 1,5 Kilometer erreichen. Bruchspannung von ca. 40 kgf / mm ² .

Seide ist ein herausragendes Material, und Wissenschaftler haben wiederholt versucht, Seidenfasern mit verschiedenen funktionellen Komponenten wie Farben, fluoreszierenden Proteinen, antimikrobiellen Mitteln, Metall / Halbleiter-Nanopartikeln und elektrisch leitenden Polymeren zu verbessern.

Für die Modifizierung von Seidenfasern werden zwei Hauptstrategien verwendet: Modifizierung des fertigen Fadens und Anreicherung des Materials während seiner Herstellung (Verdauung) innerhalb der Seidenraupe. Das erste dieser technologischen Verfahren ist recht komplex, mehrstufig und erfordert die Verwendung toxischer Reagenzien. Zum Vergleich: Die kürzlich erfundene Methode zur Anreicherung von Seide in der Seidenraupe ist ein völlig umweltfreundliches und relativ einfaches Verfahren. Sie müssen nur Seidenraupen auf Diät pflanzen.

Wissenschaftler der Fakultät für Chemie und des Zentrums für Nano- und Mikromechanik der Tsinghua-Universität (Peking) haben eine neue Methode zur Anreicherung von Seidenfasern mit Kohlenstoffnanoröhren und Graphen vorgeschlagen.

Kohlenstoffnanoröhren und Graphen weisen hervorragende mechanische Eigenschaften auf und werden häufig bei der Herstellung hochfester Materialien verwendet. Es gab mehrere Versuche, Seide mit Kohlenstoffnanoröhren zu versehen, indem das fertige Garn modifiziert oder der Diät Seidenraupen hinzugefügt wurden. Ähnliche Experimente wurden mit Spinnen durchgeführt. In einem früheren Experiment wurden Seidenraupen mit mehrwandigen Nanoröhren mit einem Durchmesser von etwa 30 nm gefüttert . Chinesische Wissenschaftler schlugen nun logischerweise vor, dass für das Verdauungssystem von Seidenraupen und die Einführung von Fibroin in die Struktur nicht mehrstufige, sondern einstufige Nanoröhren mit einem Durchmesser von etwa 1-2 nm viel akzeptabler wären. Mit Blick auf die Zukunft täuschten sie sich nicht.

Neben einstufigen Nanoröhren beschlossen die Wissenschaftler, Seidenraupen, die ebenfalls ein potenzieller Härter sind, Graphen zuzuführen. Um die Materialien an Tiere zu verfüttern, verwendeten die Wissenschaftler eine einfache Methode: Sie sprühten eine Suspension mit einstufigen Nanoröhren und Graphen auf die Maulbeerblätter, von denen sich Seidenraupen ernähren - und sammelten das Produkt dann aus einem Kokon.

Das Experiment war erfolgreich. Die Ernährung von Seidenraupen unter Zusatz von einstufigen Nanoröhren und Graphen führte zur Herstellung von Seidenfäden mit verbesserten Eigenschaften. Der Faden wird auf natürliche Weise aus einem Kokon gewonnen, wie ein gewöhnlicher Seidenfaden.

Die Wissenschaftler untersuchten die Raman-Spektren von Seidenfasern und Seidenraupenkot - und bestätigten in beiden Fällen den Einbau von Kohlenstoffnanoröhren in Seidenfasern. Sie überprüften auch, wie sich die Eigenschaften der Faser nach der Einführung von Kohlenstoffnanoröhren änderten.


Die Abbildungen zeigen den Versuchsaufbau, Fotografien von Kokons, die nach Fütterung von Seidenraupen mit Maulbeerblättern erhalten wurden, die mit einer Suspension von Nanoröhren mit einer Massenkonzentration von 0,2% und 1,0% und einer Suspension von Graphen mit einer Konzentration von 0,2% und 2,0% beschichtet waren. Es sind Fotografien von einem Rasterelektronenmikroskop für jede Probe eines Seidenfadens und ein Diagramm mit den Eigenschaften der Dehnung des Fadens

gezeigt. Andere mechanische Eigenschaften der verbesserten Seidenfasern sind in der Tabelle gezeigt: Zugspannung, maximale Zugspannung und Elastizitätsmodul.



Wie aus der Tabelle hervorgeht, muss noch eine Reihe von Experimenten durchgeführt werden, um die optimale Konzentration von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen in der Seidenraupendiät zu finden, damit sie Fäden mit größerer Festigkeit erzeugen. Wir sehen, dass eine Diät mit einer niedrigeren Konzentration von SWNT1-S und GR1-S zur Produktion von Ballaststoffen mit viel besseren Eigenschaften führte als eine Diät mit einer höheren Konzentration von SWNT2-S und GR2-S.

Es überrascht nicht, dass der Seidenfaden nach der Zugabe von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren zu einem elektrischen Leiter wurde. In der besten Seidenprobe mit Graphenpartikeln war die elektrische Leitfähigkeit mit 120 Siemens pro Zentimeter recht hoch. Solche Seide kann in der Elektronik verwendet werden. Es ist praktisch, tragbare Geräte mit Strom zu versorgen, die direkt in Seidenkleider eingenäht sind. Tatsächlich ist es ziemlich einfach, einen leuchtenden Stoff herzustellen.



Fotos von einem Transmissionselektronenmikroskop zeigen deutlich, dass Seidenfasern mit Kohlenstoffnanoröhren (in der Mitte) und Graphen (unten) viel besser strukturiert sind als gewöhnliche Seide (oben).

Wissenschaftliche Artikel veröffentlicht 13. September 2016 im Journal of der Nano Letters (doi: 10.1021 / acs.nanolett.6b03597).

Source: https://habr.com/ru/post/de398343/