Если вы когда-то пробовали оторвать мидию от подводного камня или очистить дно лодки от назойливых усоногих, вам не нужно объяснять, скольким трюкам люди могут научиться у природы, в том числе при создании мощных адгезивных веществ. Именно это и сделали исследователи из Университета Тафтса, которые разработали инновационный клей, вдохновившись способностью упрямых моллюсков и членистоногих намертво прирастать к различным поверхностям.
Клейкий композитный материал создали в лаборатории Университета Тафтса Silklab. Основу адгезивного вещества изготовили из шёлковой нити тутовых шелкопрядов, состоящей из белков фиброина и серицина. С её помощью учёные воспроизвели ключевые характеристики природного клея мидий и усоногих, включая связывающие белковые волокна, комплексы железа и способность к перекрестному связыванию полимеров. В итоге исследователи получили мощный нетоксичный клей, который работает одинаково эффективно как под водой, так и в сухих условиях, превосходя по своим свойствам большинство синтетических адгезивных веществ на рынке.
По словам директора лаборатории Silklab Фьоренцо Оменетто, разработанный его командой клей не просто работает под водой лучше многих доступных на рынке клеёв, но делает это при использовании значительно меньшего количества материала. К тому же данное вещество изготовлено с применением ресурсов преимущественно из природных источников, а все связующие химические реакции в нём абсолютно безвредны для окружающей среды. По мнению Оменетто, подобные качества заметно упростят не только эксплуатацию клея, но и процесс его производства в промышленных масштабах.
При воспроизведении подводного адгезивного вещества команда Silklab сфокусировала внимание на ключевых факторах его действия. Мидии и прочие двустворчатые моллюски выделяют биссус – прочные белковые нити. При выходе из специализированной железы он находится в жидкой форме, постепенно застывая в виде полимера, который на химическом уровне жёстко связывается с субстратом нового места обитания. Полимеры этих белковых нитей состоят из длинных цепочек аминокислот, включая дигидроксифенилаланин (ДОФА), способный к перекрёстному связыванию с другими цепочками. Кроме того, мидии добавляют в свой клей ещё один особый ингредиент – комплексы железа, которые повышают адгезивные свойства вещества.
В свою очередь усоногие, например, морские жёлуди, производят клейкое вещество, устойчивое к воздействию сильных кислот, щелочей, органических растворителей и температуры свыше 200 °C. «Цемент» усоногих также представляет собой смесь белков, которая полимеризуется при контакте с окружающей средой. В их случае цепочки аминокислоты формируют так называемые бета-складчатости – зигзагообразные структуры, образующие многочисленные водородные связи с ближайшими протеинами в субстрате.
Фиброин в составе шёлковых нитей тутовых шелкопрядов разделяет многие свойства как биссуса мидий, так и цемента усоногих. Для повышения его адгезивных качеств учёные добавили полидофамин (полимер на основе дофамина), который взаимодействует с другими аминокислотами также, как ДОФА. Значительно усилить прочность и твёрдость клейкого вещества позволил отвердитель хлорид железа, являющийся популярным катализатором в органическом синтезе.
По словам Оменетто, под микроскопом получившийся клей SF-PDA (шёлковый фиброин – полидофамин) выглядит практически неотличимо от своего природного аналога. Прочность нового материала на отрыв составила 2,5 МПа в сухих условиях и 2,4 МПа под водой. То есть, чтобы разорвать образовавшиеся связи перпендикулярно плоскости склеивания, придётся приложить усилия в 25 кгс/см2. При этом для достижения такой прочности необходимо всего пару капель клея – 1-2 мг на квадратный дюйм (6,5 см2).
