Som alla som någonsin har rätat ut sitt hår vet är vatten fienden.Hår som mödosamt rätas ut av värme kommer att studsa tillbaka till lockar så fort det kommer i kontakt med vatten.Varför?Eftersom hår har formminne.Dess materialegenskaper gör att den kan ändra form som svar på vissa stimuli och återgå till sin ursprungliga form som svar på andra.
Tänk om andra material, särskilt textilier, hade den här typen av formminne?Föreställ dig en t-shirt med kylventiler som öppnas när de utsätts för fukt och stängs när de är torra, eller kläder som passar alla som sträcker sig eller krymper till en persons mått.
Nu har forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utvecklat ett biokompatibelt material som kan 3D-printas till vilken form som helst och förprogrammeras med reversibelt formminne.Materialet är tillverkat av keratin, ett fibröst protein som finns i hår, naglar och skal.Forskarna extraherade keratinet från överbliven Agora-ull som används vid textiltillverkning.
Forskningen kan hjälpa den bredare ansträngningen att minska avfallet i modeindustrin, en av de största förorenarna på planeten.Designers som Stella McCarthy omprövar redan hur industrin använder material, inklusive ull.
"Med det här projektet har vi visat att vi inte bara kan återvinna ull utan vi kan bygga saker av den återvunna ullen som vi aldrig har föreställt oss tidigare", säger Kit Parker, Tarr-familjens professor i bioteknik och tillämpad fysik vid SEAS och senior författare till tidningen."Konsekvenserna för naturresursernas hållbarhet är tydliga.Med återvunnet keratinprotein kan vi göra lika mycket, eller mer, än vad som har gjorts genom att klippa djur hittills och på så sätt minska miljöpåverkan från textil- och modeindustrin.”
Forskningen publiceras i Nature Materials.
Nyckeln till keratins formförändrande förmåga är dess hierarkiska struktur, säger Luca Cera, postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen.
En enda kedja av keratin är arrangerad i en fjäderliknande struktur som kallas alfa-helix.Två av dessa kedjor vrids ihop för att bilda en struktur som kallas en lindad spole.Många av dessa lindade spolar är sammansatta till protofilament och så småningom stora fibrer.
"Organisationen av alfaspiralen och de bindande kemiska bindningarna ger materialet både styrka och formminne", säger Cera.
När en fiber sträcks eller utsätts för en viss stimulans, lindas de fjäderliknande strukturerna upp, och bindningarna återställs för att bilda stabila beta-ark.Fibern förblir i den positionen tills den triggas att lindas tillbaka till sin ursprungliga form.
För att demonstrera denna process 3D-printade forskarna keratinark i en mängd olika former.De programmerade materialets permanenta form - formen det alltid kommer att återgå till när det utlöses - med en lösning av väteperoxid och mononatriumfosfat.
När minnet väl var inställt kunde arket omprogrammeras och formas till nya former.
Till exempel veks ett keratinark till en komplex origami-stjärna som sin permanenta form.När minnet var inställt, dämpade forskarna stjärnan i vatten, där den vecklades ut och blev formbar.Därifrån rullade de arket till ett tätt rör.När det väl torkat låstes arket in som ett fullt stabilt och funktionellt rör.För att vända processen satte de tillbaka röret i vattnet, där det rullades ut och veks tillbaka till en origami-stjärna.
"Denna tvåstegsprocess med 3D-utskrift av materialet och sedan inställning av dess permanenta former möjliggör tillverkning av riktigt komplexa former med strukturella egenskaper ner till mikronnivån," sa Cera."Detta gör materialet lämpligt för ett stort antal applikationer från textil till vävnadsteknik."
"Oavsett om du använder sådana här fibrer för att göra bysthållare vars kupstorlek och form kan anpassas varje dag, eller om du försöker göra aktiveringstextilier för medicinsk behandling, är möjligheterna med Lucas arbete breda och spännande", säger Parker."Vi fortsätter att ombilda textilier genom att använda biologiska molekyler som tekniska substrat som de aldrig har använts förut."
Posttid: 21 september 2020