[논문 리뷰] Silk reinforced with graphene or carbon nanotubes spun by spiders

Emiliano Lepore, Francesco Bonaccorso외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 25.

Silk-based biomaterials and applications참고 문헌 87인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 수용성 분산액을 스프레이로 뿌려 흡입함으로써 날개가 있는 거미가 그래핀 또는 탄소 나노튜브로 강화된 천연 실을 자연스럽게 만들어내는 방법을 입증한다. 그 결과 기계적 성질이 크게 향상되었으며, 파손 강도는 최대 5.4 GPa, 엘라스티시티 모odulus는 최대 47.8 GPa, 인열성 모odulus는 최대 2.1 GPa(1567 J/g)에 이르렀다. 이는 지금까지 보고된 바 있는 어떤 섬유 재료보다도 높은 수준이다.

ABSTRACT

Here, we report the production of silk incorporating graphene and carbon nanotubes directly by spider spinning, after spraying spiders with the corresponding aqueous dispersions. We observe a significant increment of the mechanical properties with respect to the pristine silk, in terms of fracture strength, Young's and toughness moduli. We measure a fracture strength up to 5.4 GPa, a Young's modulus up to 47.8 GPa and a toughness modulus up to 2.1 GPa, or 1567 J/g, which, to the best of our knowledge, is the highest reported to date, even when compared to the current toughest knotted fibres. This approach could be extended to other animals and plants and could lead to a new class of bionic materials for ultimate applications.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 시스템을 활용하여 나노재료를 천연 실에 강화하는 새로운 바이오닉 방법을 개발하기 위해.
• 합성 섬유 제조의 한계를 극복하기 위해 거미의 자연스러운 실 감는 능력을 활용하기 위해.
• 현장 내 나노재료 통합을 통해 생체복합 섬유에서 예상치 못한 기계적 성능을 달성하기 위해.
• 이 접근법이 다른 생물학적 시스템과 재료에 대해 확장 가능하고 일반화 가능한지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 실을 감기 전에 거미에 그래핀 옥사이드 또는 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNTs)의 수용성 분산액을 스프레이로 뿌렸다.
• 거미는 외골격이나 입으로 나노재료를 섭취하여 자연스러운 실 감는 과정에서 실 단백질에 통합시켰다.
• 인장 시험을 통해 파손 강도, 엘라스티시티 모odulus, 그리고 인열성을 측정하기 위해 기계적 시험을 수행한 결과 생체복합 섬유 섬유를 분석했다.
• 라만 스펙트로스코피 및 전자현미경과 같은 특성 분석 기법을 통해 나노재료가 실 기질 내부에 효과적으로 통합되고 분포되어 있는지 확인했다.
• 결과로 얻어진 기계적 성질을 순수한 거미실 및 기타 고성능 합성 섬유와 비교했다.
• 재현성과 결과 일관성을 확보하기 위해 여러 마리의 거미를 대상으로 실험을 반복했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수용성 분산액에 노출되었을 때 거미는 자연스럽게 실을 감는 동안 그래핀 또는 탄소 나노튜브를 실에 통합할 수 있는가?
• RQ2 그래핀 또는 CNT 통합을 통해 거미실의 기계적 성질 향상 수준은 어떠한가?
• RQ3 이러한 생체복합 섬유의 기계적 성능은 알려진 가장 강한 합성 섬유나 천연 섬유와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 생물학적 시스템을 통한 나노재료의 실 내 통합은 여러 개체에 걸쳐 확장 가능하고 재현 가능한가?
• RQ5 이 생물학적으로 매개되는 과정을 통해 달성 가능한 기계적 강화의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 그래핀 또는 CNT로 강화된 거미실의 파손 강도는 최대 5.4 GPa에 도달했으며, 순수한 거미실보다 뚜렷하게 높았다.
• 강화된 실의 엘라스티시티 모odulus는 최대 47.8 GPa까지 증가하여 강성 향상을 보였다.
• 인열성 모odulus는 2.1 GPa(1567 J/g)에 도달했으며, 지금까지 보고된 바 있는 어떤 섬유 재료보다도 높은 값이었다.
• 기계적 강화는 라만 스펙트로스코피와 미세구조 분석을 통해 실 기질에서 나노재료로의 효과적인 하중 이행이 이루어졌다는 점에서 기인한 것으로 확인되었다.
• 생체복합 섬유는 높은 연성과 연신율을 유지하여 고강도와 뛰어난 에너지 흡수 능력을 동시에 확보했다.
• 이 방법은 여러 마리의 거미를 대상으로 반복 실험한 결과 재현성이 높아 고성능 바이오복합 재료의 대량 생산 가능성을 시사했다.