Creata in laboratorio la prima tecnologia di lancio di ragnatele in cui il flusso di seta liquida si trasforma rapidamente in una fibra resistente che si attacca e solleva gli oggetti
Ogni bambino che ha letto un fumetto o guardato un film di Spider-Man ha provato a immaginare cosa significherebbe sparare una ragnatela dal polso, volare sopra le strade e inchiodare i cattivi. I ricercatori della Tufts University hanno preso sul serio quelle scene immaginarie e hanno creato la prima tecnologia di lancio di ragnatele in cui un materiale fluido può sparare da un ago, solidificarsi immediatamente come una corda e aderire e sollevare oggetti.
Queste fibre appiccicose, create al Tufts University Silklab, provengono dai bozzoli delle falene della seta, che vengono bolliti in soluzione e scomposti nelle loro proteine di base chiamate fibroina. La soluzione di fibroina della seta può essere estrusa attraverso aghi a foro stretto per formare un flusso che, con gli additivi giusti, si solidifica in una fibra quando esposta all'aria.
Naturalmente, la natura è l'ispirazione originale per l'impiego di fibre di seta in catene, ragnatele e bozzoli. Ragni, formiche, vespe, api, farfalle, falene, coleotteri e persino mosche possono produrre seta a un certo punto del loro ciclo di vita. La natura ha anche ispirato il Silklab a sperimentare l'uso della fibroina di seta per realizzare colle potenti che possono funzionare sott'acqua, sensori stampabili che possono essere applicati praticamente su qualsiasi superficie, rivestimenti commestibili che possono estendere la durata di conservazione dei prodotti, un materiale di raccolta della luce che potrebbe migliorare significativamente l'efficienza delle celle solari e metodi di produzione di microchip più sostenibili.
Tuttavia, nonostante i notevoli progressi compiuti con i materiali a base di seta, i ricercatori non sono ancora riusciti a riprodurre la maestria dei ragni, che riescono a controllare la rigidità, l'elasticità e le proprietà adesive dei fili che filano.
Una svolta è avvenuta per puro caso. «Stavo lavorando a un progetto per realizzare adesivi estremamente resistenti usando la fibroina di seta e, mentre pulivo i miei oggetti in vetro con l'acetone, ho notato un materiale simile a una ragnatela che si stava formando sul fondo del vetro», ha detto il dottor Marco Lo Presti (1), professore associato di ricerca alla Tufts.
La scoperta accidentale ha superato diverse sfide ingegneristiche per la replicazione dei fili di ragno. Le soluzioni di fibroina di seta possono formare lentamente un idrogel semisolido in un periodo di ore quando esposte a solventi organici come etanolo o acetone, ma la presenza di dopamina, che viene utilizzata per realizzare gli adesivi, ha permesso al processo di solidificazione di verificarsi quasi immediatamente. Quando il lavaggio con solvente organico è stato mescolato rapidamente, la soluzione di seta ha creato rapidamente fibre con elevata resistenza alla trazione e appiccicosità. La dopamina e i suoi polimeri utilizzano la stessa chimica utilizzata dai cirripedi per formare fibre che aderiscono tenacemente alle superfici.
Il passo successivo è stato quello di filare le fibre nell'aria. I ricercatori hanno aggiunto dopamina alla soluzione di fibroina di seta, che sembra accelerare la transizione da liquido a solido allontanando l'acqua dalla seta. Quando viene iniettata attraverso un ago coassiale, un sottile flusso di soluzione di seta è circondato da uno strato di acetone che innesca la solidificazione. L'acetone evapora a mezz'aria, lasciando una fibra attaccata a qualsiasi oggetto con cui entra in contatto. I ricercatori hanno potenziato la soluzione di fibroina di seta-dopamina con chitosano, un derivato degli esoscheletri degli insetti che ha conferito alle fibre una resistenza alla trazione fino a 200 volte maggiore, e tampone borato, che ne ha aumentato l'adesività di circa 18 volte.
Il diametro delle fibre poteva variare da quello di un capello umano fino a circa mezzo millimetro, a seconda del foro dell'ago.
Il dispositivo può sparare fibre che possono raccogliere oggetti di oltre 80 volte il loro peso in varie condizioni. I ricercatori lo hanno dimostrato raccogliendo un bozzolo, un bullone d'acciaio, un tubo da laboratorio galleggiante sull'acqua, un bisturi parzialmente sepolto nella sabbia e un blocco di legno da una distanza di circa 12 centimetri.
Il dottor Lo Presti ha detto: «se osservi la natura, scoprirai che i ragni non possono sparare la loro ragnatela. Di solito filano la seta dalla loro ghiandola, entrano fisicamente in contatto con una superficie e tracciano le linee per costruire le loro ragnatele. Stiamo dimostrando un modo per sparare una fibra da un dispositivo, quindi aderire e raccogliere un oggetto da una certa distanza. Invece di presentare questo lavoro come un materiale bio-ispirato, è in realtà un materiale ispirato ai supereroi».
La seta naturale del ragno è ancora circa 1000 volte più resistente delle fibre artificiali in questo studio. Ma con un po' di immaginazione e ingegneria in più, l'innovazione continuerà a migliorare e ad aprire la strada a una varietà di applicazioni tecnologiche.
«Come scienziati e ingegneri, navighiamo il confine tra immaginazione e pratica. È lì che avviene tutta la magia», ha affermato Fiorenzo Omenetto (2), Frank C. Doble Professor of Engineering alla Tufts University e direttore del Silklab. «Possiamo essere ispirati dalla natura. Possiamo essere ispirati dai fumetti e dalla fantascienza. In questo caso, volevamo sottoporre il nostro materiale di seta a reverse engineering per farlo comportare come la natura lo aveva originariamente progettato e come gli scrittori di fumetti lo avevano immaginato».
Questa ricerca è stata pubblicata su Advanced Functional Materials (3).
Riferimenti:
(1) Marco Lo Presti
(3) Dynamic Adhesive Fibers for Remote Capturing of Objects
Descrizione foto: Il flusso liquido di soluzione di seta si solidifica in una fibra, aderisce e solleva un bicchiere da laboratorio in vetro. - Credit: Marco Lo Presti, Tufts University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Inspired by Spider-Man, a Lab Recreates Web-Slinging Technology