[論文レビュー] Silk reinforced with graphene or carbon nanotubes spun by spiders

Emiliano Lepore, Francesco Bonaccorso+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2015

Silk-based biomaterials and applications参考文献 87被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、蜘蛛が水分散液をスプレーすることで、グラフェンまたはカーボンナノチューブで強化された自然なシルクを生成できることを示している。その結果、機械的特性が顕著に向上し、破壊強度は最大5.4 GPa、ヤング率は最大47.8 GPa、靭性モジュラスは最大2.1 GPa（1567 J/g）に達し、これまでに報告された中で最高の値を記録した。

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.

研究の動機と目的

• 生物学的システムを用いてナノ材料で強化された自然シルクを新たなバイオミメティック法で開発すること。
• 合成繊維生産の限界を乗り越えるために、蜘蛛の自然な糸紡出能力を活用すること。
• イン・シチュにおけるナノ材料統合を通じて、バイオハイブリッド繊維で前例のない機械的性能を達成すること。
• このアプローチのスケーラビリティと一般性を、他の生物学的システムや材料について検討すること。

提案手法

• 蜘蛛は糸を紡ぐ前に、酸化グラフェンまたはマルチウォールカーボンナノチューブ（MWCNTs）の水分散液をスプレーした。
• 蜘蛛は外骨格や口部からナノ材料を摂取し、自然な糸紡出の過程でそれらをシルクタンパク質に統合した。
• 引張試験を用いて、得られたバイオハイブリッドシルク繊維の機械的特性を破壊強度、ヤング率、靭性について測定した。
• ラマン分光法や電子顕微鏡法などの特性評価技術により、ナノ材料のマトリックス内での統合状態と分布状態を確認した。
• 得られた機械的特性を、純粋な蜘蛛のシルクおよび他の高性能合成繊維と比較した。
• 複数の蜘蛛を用いてプロセスを繰り返し、結果の再現性と一貫性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蜘蛛が水分散液にさらされることで、糸紡出の過程で自然にグラフェンまたはカーボンナノチューブをシルクに組み込むことができるか？
• RQ2 グラフェンまたはCNTの統合によって、蜘蛛のシルクで達成できる機械的特性の向上はどの程度か？
• RQ3 このバイオハイブリッド繊維の機械的性能は、既知の最も強力な合成繊維や天然繊維と比べてどうか？
• RQ4 生物学的システムによるナノ材料のシルクへの統合は、複数の個体にわたりスケーラブルかつ再現可能か？
• RQ5 生物学的媒体を介したこのプロセスで達成可能な機械的強化の限界はどこか？

主な発見

• グラフェンまたはCNTで強化された蜘蛛のシルクの破壊強度は最大5.4 GPaに達し、純粋な蜘蛛のシルクを著しく上回った。
• 強化されたシルクのヤング率は最大47.8 GPaにまで上昇し、剛性の向上を示した。
• 靭性モジュラスは2.1 GPa（1567 J/g）に達し、これまでに報告された中で最高の値を記録した。
• 機械的特性の向上は、マトリックスからナノ材料への有効な荷重移行に起因するとされ、ラマン分光法および微細構造解析で裏付けられた。
• バイオハイブリッド繊維は高い延性と延長性を維持し、高い強度と優れたエネルギー吸収能力を併せ持っていた。
• この方法は複数の蜘蛛にわたり再現性があり、高性能バイオミメティック材料のスケーラブルな生産の可能性を示した。