Zoals iedereen die ooit zijn haar heeft gestrekt weet, is water de vijand.Haar dat nauwgezet door hitte is gestrekt, zal terugveren in krullen zodra het in aanraking komt met water.Waarom?Omdat haar vormgeheugen heeft.Door de materiaaleigenschappen kan het van vorm veranderen als reactie op bepaalde stimuli en terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm als reactie op andere.
Wat als andere materialen, met name textiel, dit soort vormgeheugen hadden?Stel je een T-shirt voor met verkoelende ventilatieopeningen die opengingen bij blootstelling aan vocht en dichtgingen als ze droog waren, of one-size-fits-all kleding die uitrekt of krimpt naar de afmetingen van een persoon.
Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een biocompatibel materiaal ontwikkeld dat in elke vorm kan worden 3D-geprint en voorgeprogrammeerd met omkeerbaar vormgeheugen.Het materiaal is gemaakt van keratine, een vezelig eiwit dat voorkomt in haar, nagels en schelpen.De onderzoekers haalden de keratine uit overgebleven Agora-wol die wordt gebruikt bij de textielproductie.
Het onderzoek zou kunnen bijdragen aan de bredere inspanningen om verspilling in de mode-industrie, een van de grootste vervuilers ter wereld, te verminderen.Ontwerpers zoals Stella McCarthy zijn nu al aan het herdenken hoe de industrie materialen gebruikt, waaronder wol.
"Met dit project hebben we laten zien dat we niet alleen wol kunnen recyclen, maar dat we ook dingen uit de gerecyclede wol kunnen bouwen die nog nooit eerder zijn bedacht", zegt Kit Parker, de Tarr Family Professor of Bioengineering and Applied Physics bij SEAS en senior auteur van het blad.“De implicaties voor de duurzaamheid van natuurlijke hulpbronnen zijn duidelijk.Met gerecycled keratine-eiwit kunnen we net zoveel of meer doen dan wat er tot nu toe is gedaan door dieren te scheren en daarmee de milieu-impact van de textiel- en mode-industrie te verminderen.”
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Materials.
De sleutel tot de vormveranderende vermogens van keratine is de hiërarchische structuur, zei Luca Cera, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel.
Een enkele keten van keratine is gerangschikt in een veerachtige structuur die bekend staat als alfa-helix.Twee van deze kettingen draaien samen om een structuur te vormen die bekend staat als een opgerolde spoel.Veel van deze opgerolde spoelen worden geassembleerd tot protofilamenten en uiteindelijk tot grote vezels.
"De organisatie van de alfa-helix en de verbindende chemische bindingen geven het materiaal zowel sterkte als vormgeheugen", zei Cera.
Wanneer een vezel wordt uitgerekt of wordt blootgesteld aan een bepaalde stimulus, ontrollen de veerachtige structuren zich en worden de bindingen opnieuw uitgelijnd om stabiele bètalagen te vormen.De vezel blijft in die positie totdat deze wordt getriggerd om terug te spoelen in zijn oorspronkelijke vorm.
Om dit proces te demonstreren, hebben de onderzoekers 3D-geprinte keratinevellen in verschillende vormen.Ze programmeerden de permanente vorm van het materiaal - de vorm waarnaar het altijd zal terugkeren wanneer het wordt geactiveerd - met behulp van een oplossing van waterstofperoxide en mononatriumfosfaat.
Nadat het geheugen was ingesteld, kon de plaat opnieuw worden geprogrammeerd en in nieuwe vormen worden gegoten.
Een keratinevel werd bijvoorbeeld gevouwen tot een complexe origami-ster als zijn permanente vorm.Toen het geheugen eenmaal was ingesteld, dompelden de onderzoekers de ster onder in water, waar het zich ontvouwde en kneedbaar werd.Van daaruit rolden ze het laken in een strakke buis.Eenmaal droog werd het laken opgesloten als een volledig stabiele en functionele buis.Om het proces om te keren, legden ze de buis terug in het water, waar hij zich ontrolde en terugvouwde tot een origami-ster.
"Dit proces in twee stappen van het 3D-printen van het materiaal en het vervolgens instellen van de permanente vormen maakt de fabricage mogelijk van echt complexe vormen met structurele kenmerken tot op micronniveau", zegt Cera.“Dit maakt het materiaal geschikt voor een breed scala aan toepassingen, van textiel tot tissue engineering.”
"Of je nu vezels als deze gebruikt om beha's te maken waarvan de cupmaat en vorm elke dag kunnen worden aangepast, of je probeert activerend textiel te maken voor medische therapieën, de mogelijkheden van Luca's werk zijn breed en opwindend", zegt Parker."We blijven textiel opnieuw uitvinden door biologische moleculen te gebruiken als technische substraten zoals ze nog nooit eerder zijn gebruikt."
Posttijd: 21-sep-2020