A seda da aranha é um biopolímero de automontagem com ligações de hidrogênio subjacentes à sua estrutura química, no entanto, apesar da fraca ligação química, ele supera a maioria dos materiais em relação ao desempenho mecânico. O biopolímero é produzido a partir da glândula ampola-aranha e é uma fibra extraordinária que pode superar a maioria dos materiais sintéticos em resistência mecânica ao equilibrar força e extensão / flexibilidade. As propriedades da seda do fio de aranha incluem alta condutividade térmica, dinâmica de torção peculiar e o potencial para propagação de vibração excepcional. Para adicionar mais distinção à fibra natural, a seda do fio de aranha exibe um efeito gigante de memória de forma após a exposição à água; em um efeito conhecido como supercontração. As propriedades únicas e notáveis ​​da seda da linha de aranha são atribuídas à sua estrutura hierárquica e morfologia.

Em um estudo recente, agora publicado em Avanços da Ciência , Dabiao Liu e colegas de trabalho nas áreas de pesquisa multidisciplinar da engenharia, física, mecânica molecular, engenharia biomédica e ciências da vida, relatório sobre a nova característica do comportamento torcional induzido pela umidade da seda de aranha. Eles demonstraram o impacto da seda do fio de aranha e as possíveis origens estruturais da resposta à torção no estudo com potencial para projetar uma "classe totalmente nova de materiais". Compreender a relação estrutura-propriedade da seda de aranha pode beneficiar os cientistas de materiais, fornecendo uma impressão da natureza física precisa do biopolímero. Novos biomateriais baseados nas propriedades mecânicas significativas da seda da aranha podem ser projetados para traduzir a relação estrutura-propriedade do material em aplicações práticas.

O material de seda da linha de aranha é sensível à água e pode encolher até cinquenta por cento de comprimento com inchaço radial. A água pode romper as ligações de hidrogênio em alta umidade para reorganizar as moléculas nanocristalinas para diminuir as configurações energéticas, resultando em supercontração. Em ciências aplicadas e engenharia, a supercontratação pode encontrar aplicações originais como músculos artificiais ou atuadores de tração. Por exemplo, seda de aranha de Nephila clavipes e Ornithoctonus huwena pode exibir um comportamento reproduzível de encolher-alongar devido à água e umidade, permitindo que o levantamento de peso cíclico ocorra. Exemplos recentes de tais aplicações incluem músculos artificiais de torção projetados com polímeros sintéticos, nanotubos de carbono e fibras feitas de grafeno.

Embora estudos anteriores tenham investigado as propriedades de torção da seda da linha de aranha, a origem estrutural de seu comportamento torcional ainda precisa ser explorada em profundidade. Nesse trabalho, Liu et al. observaram o comportamento único da seda da linha de aranha em comparação com fibras de controle, como a seda Bombyx mori, Fibra de Kevlar e cabelo humano. Os cientistas projetaram os experimentos para revelar a resposta pessoal gradual da seda da linha de arrasto ao aumento da umidade. Eles conduziram simulações atomísticas das proteínas de dois componentes MaSp1 e MaSp2 para entender o mecanismo do comportamento de torção estrutural no nível da molécula. Eles então propuseram uma possível relação entre a deformação de torção observada impulsionada pela umidade e a estrutura molecular da seda da linha de arrasto.

Liu et al. usou sedas de dragline de Nephila pilipes, Espécies de aranha Nephila eduli e Argiope versicolor replicando com sucesso um método anterior para coleta de amostras de seda. Eles usaram um aparelho baseado em processamento de imagem para estudar a atuação torcional das fibras finas conduzida pela umidade. Na configuração experimental, os cientistas usaram um pêndulo de torção feito de uma única fibra encerrada em um gabinete de umidade e gravaram o movimento do pêndulo usando uma câmera de vídeo enquanto aumentava ou diminuía a umidade relativa (UR). Eles projetaram dois protocolos diferentes para entender a resposta das sedas do cabo de aranha à mudança de umidade; um protocolo aumentou a UR gradativamente para manter valores altos por um longo período de tempo. No segundo método, eles mudaram ciclicamente a UR de 40 para 100 por cento e retornaram para 40 por cento cinco vezes.

Usando microscopia eletrônica de varredura (SEM), os cientistas primeiro caracterizaram a morfologia e a estrutura das sedas das aranhas. Eles conduziram testes de triagem em três fibras de controle; Seda B. mori, cabelo humano e fibra de Kevlar. Os experimentos revelaram as respostas de torção das fibras representativas à umidade do ambiente. Eles então observaram contrações / relaxamentos cíclicos induzidos pela umidade da seda da linha de arrasto de diferentes espécies de aranhas para entender a atuação de torção impulsionada pela umidade na seda da linha de arrasto. Após os testes, a superfície da seda da linha de arrasto tornou-se mais áspera do que no estágio inicial. A linha de aranha de seda de N. pilipes alcançou deformação torcional de aproximadamente 255 ⁰ / mm em uma direção, um valor maior do que o gerado pelos músculos artificiais de nanotubos de carbono (250 ⁰ / mm) alimentado por eletricidade. O valor também foi 1000 x maior do que aqueles relatados para outros atuadores baseados em liga com memória de forma e polímeros condutores com capacidade de deformação por torção. Para a seda dragline A. versicolor, a atuação torcional começou a 70 por cento UR, este valor era inferior ao da seda de dragline de N. pilipes, mas ainda comparável aos músculos do nanotubo de carbono.

Liu et al. em seguida, comparou os resultados do segundo protocolo de mudanças cíclicas de umidade em que a seda da linha de aranha mostrou resposta de torção sensível à umidade, fornecer um método para controlar a deformação por torção. Conforme o número de ciclos de UR aumentou, a velocidade de torção e a aceleração angular da seda da linha de arrasto diminuíram, indicando que a deformação torcional estava atingindo um estado de saturação. Os cientistas registraram que todas as sedas se alongaram em aproximadamente 5 a 10 por cento após cada teste.

Uma vez que a torção induzida pela umidade é uma característica única da seda do fio de aranha, os cientistas investigaram a estrutura molecular e a morfologia do material para revelar o mecanismo subjacente desse comportamento. Eles também analisaram as estruturas secundárias específicas e a organização estrutural hierárquica da molécula. Liu et al. mostraram que a presença de prolina na proteína MaSp2 produziu uma torção unidirecional mais pronunciada na escala da única molécula. Os cientistas, portanto, presumiram que a orientação do anel de prolina linear estriado pode ter forçado a molécula em um padrão torcido. Usando protocolos de simulação molecular no nível de proteína, eles explicaram o comportamento de transição vítrea observado da seda da aranha em alta UR.

Desta maneira, Liu et al. mostraram que a seda do fio de aranha pode gerar uma torção enorme (até 255 ⁰ / mm para N. pilipes e 127 ⁰ / mm para sedas de aranha de A. versicolor) sob 70 por cento UR. Os cientistas mostraram que a atuação torcional do material poderia ser controlada simplesmente ajustando o nível de RH. A energia observada gerada na seda da linha de arrasto não era passiva, mas uma mudança ativa de estado em resposta à força motriz da umidade. A torção induzida pela umidade transformou a seda da linha de arrasto para atuar como um atuador de torção. Os resultados dessas pesquisas terão aplicações no desenvolvimento de robôs macios movidos a umidade, novos sensores de umidade precisa, têxteis inteligentes ou dispositivos de energia verde.

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