Биоинженеры разработали паутину

Прогресс может привести к созданию энергоэффективного и недорогого умного текстиля

Цзюнь Чен / Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе

Иллюстрация, показывающая процесс производства проводящих волокон, вдохновленный паутиной.

31 мая 2023 г.

Используя новый процесс, имитирующий то, как пауки прядут шелк, группа биоинженеров под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала простой процесс изготовления мягких электропроводящих волокон при комнатной температуре и атмосферном давлении.

В исследовании, опубликованномв качестве прикрытия в журнале Nature Electronics Исследователи продемонстрировали свою технику с помощью сенсорной перчатки и умной маски для лица, изготовленной из эластичных и прочных тканей. Перчатка может измерять температуру и движения рук, позволяя пользователю играть в компьютерную игру «камень-ножницы-бумага», а маска способна отслеживать характер дыхания человека.

Существующие методы изготовления электропроводящих волокон являются дорогостоящими и сложными, требующими высоких температур, энергопотребления, большого количества растворителей и специального оборудования для прядения волокон.

«Мы хотели разработать высокоэффективный и экономически выгодный процесс производства электропроводящих волокон, который можно было бы гораздо проще реализовать, отражая самые современные процессы создания проводящих 2D-листов и 3D-объектов», — сказал соавтор, отвечающий за переписку. Джун Чен, доцент кафедры биоинженерии Инженерной школы Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Благодаря этому новому подходу мы можем создавать мягкие проводящие волокна с высокой эффективностью и низкой стоимостью».

Волокна изготовлены из полиакрилонитрила — разновидности синтетического полимера — и ионов серебра, которые придают волокнам электропроводящие свойства. Объединенные ингредиенты затем растворяют в диметилформамиде или ДМФ, обычном растворителе, используемом при производстве синтетических волокон.

«Мы хотели разработать высокоэффективный и экономически выгодный процесс производства электропроводящих волокон, который можно было бы гораздо проще реализовать, отражая самые современные процессы создания проводящих 2D-листов и 3D-объектов», — сказал соавтор, отвечающий за переписку. Цзюнь Чен.

Чтобы помочь водяному пару из окружающего воздуха вытянуть жидкий растворитель, раствор вращается на вращающейся пластине, создавая сеть молекул полиакрилонитрила и ионов серебра, названную исследователями PANSIon. Эластичные, свободно стоящие волокна PANSion можно затем извлечь из пластины менее чем за минуту. Это действие похоже на то, как пауки плетут паутину, сплетая жидкие белки в шелковые нити. Полученные волокна по эластичности аналогичны резине, а по прочности они не уступают хлопковому волокну.

По словам исследователей, их волокна обладают сильной электропроводностью, благодаря которой они могут воспринимать дыхание, температуру и прикосновение. При использовании в умном текстиле волокна могут иметь энергетическое, сенсорное и терапевтическое применение, например, в хирургической маске, которая отслеживает дыхание в течение ночи для людей с апноэ во сне.

Первым автором исследования является Сонглинь Чжан, бывший постдокторант вИсследовательская группа Чена по носимой биоэлектронике в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесекоторый сейчас работает в Национальном университете Сингапура.

Другими авторами Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе являются Ихао Чжоу, Альберто Либанори и Сюнь Чжао — все действующие и бывшие члены исследовательской группы Чена. Дополнительные авторы представляют Национальный университет Сингапура, а также Нанкинский университет и Цзилиньский университет в Китае. Исследование было поддержано стартовым финансированием Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Самуэли, исследовательским грантом Hellman Fellows, исследовательской премией Программы пандемических ресурсов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и грантом на восстановление исследований. от Академического сената Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Дополнительную поддержку оказали Фонд исследований мозга и поведения и Консорциум западного побережья по технологиям и инновациям в педиатрии Детской больницы Лос-Анджелеса.