Wie jeder weiß, der schon einmal seine Haare geglättet hat, ist Wasser der Feind.Haar, das sorgfältig durch Hitze geglättet wurde, springt in Locken zurück, sobald es Wasser berührt.Wieso den?Denn Haare haben ein Formgedächtnis.Seine Materialeigenschaften ermöglichen es ihm, seine Form als Reaktion auf bestimmte Reize zu ändern und als Reaktion auf andere in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.
Was wäre, wenn andere Materialien, insbesondere Textilien, ein solches Formgedächtnis hätten?Stellen Sie sich ein T-Shirt mit Kühlöffnungen vor, das sich öffnet, wenn es Feuchtigkeit ausgesetzt wird, und sich schließt, wenn es trocken ist, oder eine Einheitsgröße, die sich auf die Maße einer Person dehnt oder schrumpft.
Jetzt haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ein biokompatibles Material entwickelt, das in jede beliebige Form 3D-gedruckt und mit reversiblem Formgedächtnis vorprogrammiert werden kann.Das Material wird aus Keratin hergestellt, einem faserigen Protein, das in Haaren, Nägeln und Muscheln vorkommt.Die Forscher extrahierten das Keratin aus übrig gebliebener Agora-Wolle, die in der Textilherstellung verwendet wird.
Die Forschung könnte die breiteren Bemühungen zur Reduzierung von Abfall in der Modeindustrie, einem der größten Umweltverschmutzer der Welt, unterstützen.Designer wie Stella McCarthy überdenken bereits, wie die Industrie Materialien, einschließlich Wolle, verwendet.
„Mit diesem Projekt haben wir gezeigt, dass wir nicht nur Wolle recyceln können, sondern dass wir Dinge aus der recycelten Wolle bauen können, die noch nie zuvor vorstellbar waren“, sagte Kit Parker, Professor für Bioengineering und angewandte Physik der Tarr-Familie am SEAS und Senior Autor des Papiers.„Die Implikationen für die Nachhaltigkeit natürlicher Ressourcen sind klar.Mit recyceltem Keratinprotein können wir genauso viel oder mehr tun als bisher durch das Scheren von Tieren und dadurch die Umweltbelastung der Textil- und Modeindustrie reduzieren.“
Die Forschung wurde in Nature Materials veröffentlicht.
Der Schlüssel zu den formverändernden Fähigkeiten von Keratin ist seine hierarchische Struktur, sagte Luca Cera, Postdoktorand bei SEAS und Erstautor der Arbeit.
Eine einzelne Keratinkette ist in einer federartigen Struktur angeordnet, die als Alpha-Helix bekannt ist.Zwei dieser Ketten verdrehen sich zu einer als Coiled Coil bekannten Struktur.Viele dieser Coiled Coils werden zu Protofilamenten und schließlich zu großen Fasern zusammengesetzt.
„Die Organisation der Alpha-Helix und die verbindenden chemischen Bindungen verleihen dem Material sowohl Festigkeit als auch Formgedächtnis“, sagte Cera.
Wenn eine Faser gedehnt oder einem bestimmten Reiz ausgesetzt wird, entrollen sich die federartigen Strukturen und die Bindungen richten sich neu aus, um stabile Beta-Faltblätter zu bilden.Die Faser bleibt in dieser Position, bis sie ausgelöst wird, um sich wieder in ihre ursprüngliche Form aufzuwickeln.
Um diesen Prozess zu demonstrieren, druckten die Forscher Keratinblätter in einer Vielzahl von Formen im 3D-Drucker.Sie programmierten die permanente Form des Materials – die Form, in die es immer zurückkehrt, wenn es ausgelöst wird – mit einer Lösung aus Wasserstoffperoxid und Mononatriumphosphat.
Sobald der Speicher eingestellt war, konnte das Blatt neu programmiert und in neue Formen geformt werden.
Beispielsweise wurde eine Keratinfolie zu einem komplexen Origami-Stern als dauerhafte Form gefaltet.Sobald die Erinnerung eingestellt war, tauchten die Forscher den Stern in Wasser, wo er sich entfaltete und formbar wurde.Von dort rollten sie das Blech zu einem engen Rohr.Nach dem Trocknen wurde die Platte als vollständig stabile und funktionsfähige Röhre eingeschlossen.Um den Prozess umzukehren, legten sie den Schlauch wieder in Wasser, wo er sich entrollte und wieder zu einem Origami-Stern faltete.
„Dieser zweistufige Prozess des 3D-Druckens des Materials und des anschließenden Festlegens seiner dauerhaften Formen ermöglicht die Herstellung wirklich komplexer Formen mit strukturellen Merkmalen bis auf Mikrometerebene“, sagte Cera.„Dadurch eignet sich das Material für eine Vielzahl von Anwendungen, von der Textil- bis zur Gewebezüchtung.“
„Ob Sie Fasern wie diese zur Herstellung von Büstenhaltern verwenden, deren Körbchengröße und -form jeden Tag angepasst werden können, oder ob Sie versuchen, Betätigungstextilien für die medizinische Therapie herzustellen, die Möglichkeiten von Lucas Arbeit sind breit gefächert und aufregend“, sagte Parker.„Wir erfinden Textilien weiterhin neu, indem wir biologische Moleküle als technische Substrate verwenden, wie sie noch nie zuvor verwendet wurden.“
Postzeit: 21. September 2020