Природата е вдъхновила хората да създават различни бионични структури. Отличната здравина и издръжливост на естествената паяжина се дължи главно на нейната специална йерархична структура, като например β-листови точки на омрежване, спирални наномодули с високо подредени молекулярни вериги и твърди обвивки, както и меки ядра. Много изследователи са симулирали тези свойства, за да постигнат по-добри свойства на изкуствените влакна. Въпреки това, остава предизвикателство умелото използване на процеса на предене и едновременното реализиране на тези йерархични характеристики.

Наскоро Зун-фенг Лиу, сътрудник на университета Нанкай, Китайски фармацевтичен университет, Джоу Сян Мей-фанг Джу и изследователски екип от университета Донгхуа, вдъхновени от структурата на протеина от паяжина коприна, приготвянето на вид разтворим омрежващ наногел, подобно предене на паяжина коприна и йерархичната структура на омрежените влакна, като директно предещи влакнести материали с висока якост и висока издръжливост осигуряват нова стратегия.

β-люспите в протеините на паяжината коприна действат като точки на омрежване, а техните мрежи за омрежване са разположени в наноразмерни глобуларни протеини. В резултат на това протеините на паяжината коприна са разтворими и могат да бъдат директно изпредени в слоести влакна чрез самосглобяване. Вдъхновени от структурата и процеса на предене на паяжината коприна, изследователите са приготвили разтворими наногелове с вътрешна мрежа за омрежване. Наногелове, подходящи за различни мономери, са приготвени чрез контролиране на концентрацията на омрежващ агент в процеса на полимеризация на свободните радикали. Когато съдържанието на омрежващ агент се увеличи от 0.15% до 1.05%, диаметърът и количеството на агрегираните нано-гел макромолекули се увеличават постепенно.

За да изследват връзката между капацитета на опън при предене на наногела и размера на неговите частици, изследователите са центрофугирали влакната на механичен тестер, докато влакната се скъсат, докато измерват механичното напрежение. Теоретичният модел предсказва, че критичното напрежение е обратно пропорционално на корен квадратен от радиуса на наночастиците.

За да проучат допълнително дали размерът и разположението на нанокомпонентите могат да бъдат регулирани чрез добавяне на нуклеиращи частици за подобряване на механичните свойства на влакната, изследователите са приготвили комплекса от едностенни въглеродни нанотръби/полидопамин (SWNT-PDA) и са синтезирали наногела с 0.15% омрежващ агент в присъствието на SWNt-PDA. Изследвано е влиянието на нуклеиращите частици върху структурата и свойствата на наногелните влакна. Резултатите показват, че с увеличаване на съдържанието на термопластични въглеродни нанотръби (THE) в SWnT-PDA, якостта на разрушаване, деформацията на разрушаване и жилавостта на наногелните влакна показват нарастваща тенденция, а нанокомпонентите са подредени по-спретнато и средният диаметър намалява.

Чрез предварително разтягане, разположението на молекулярните вериги се увеличава значително и средният диаметър на влакната се намалява. За влакна с 50% предварително опънато напрежение, структурната еволюция значително подобрява механичната якост и намалява удължението при скъсване. След допълнителна оптимизация на усукването, най-накрая се постига комбинация от якост на скъсване на влакната от 1.27 gpa и жилавост от 383 MJ/m3, което е много близко до експлоатационните стойности на естествената паяжина.

Свързаната работа е публикувана в Advanced Materials под заглавието „Протеиноподобен наногел за предене на йерархично структурирана изкуствена паяжина“.