Aliran cairan larutan sutra membeku menjadi serat, menempel dan mengangkat gelas kimia laboratorium (Kredit: Marco Lo Presti, Tufts University)
MEDFORD, Massa.— Penggemar Marvel, bersukacitalah! Impian Anda untuk menjadi Spider-Man ramah lingkungan berikutnya menjadi kenyataan. Para ilmuwan di Universitas Tufts telah menciptakan kembali serat jaring yang kuat, serupa dengan yang memungkinkan pahlawan super menembakkan jaring dari pergelangan tangan mereka dan terbang di jalanan. Meskipun Anda tidak akan bisa menangkap penjahat, sutra selempang jaring ini akan segera membantu mengangkat benda dengan daya tahan yang mengesankan.
Serat lengketnya bukan terbuat dari laba-laba melainkan dari kepompong ngengat sutra. Dalam sebuah penelitian yang sekarang diterbitkan di Bahan Fungsional Tingkat Lanjutpenulis menjelaskan merebus kepompong ngengat sutra untuk memecah protein yang disebut fibroin. Dengan tambahan bahan tambahan, larutan fibroin sutra dimasukkan dan dilepaskan melalui jarum sempit untuk membentuk aliran yang mengeras menjadi serat saat terkena udara. Beberapa percobaan menunjukkan daya rekat dan elastisitas jaring dapat dengan mudah menempel dan mengangkat material.
“Sebagai ilmuwan dan insinyur, kami menavigasi batasan antara imajinasi dan praktik. Di situlah semua keajaiban terjadi,” kata Fiorenzo Omenetto, Profesor Teknik Frank C. Doble di Universitas Tufts dan direktur Silklab, dalam siaran persnya. “Kita bisa terinspirasi oleh alam. Kita bisa terinspirasi oleh komik dan fiksi ilmiah. Dalam hal ini, kami ingin merekayasa balik bahan sutra kami agar berperilaku seperti yang dirancang oleh alam, dan para penulis buku komik membayangkannya.”
Seperti bagaimana Spider-Man mendapatkan kekuatannya, penemuan ini sepenuhnya merupakan sebuah kecelakaan.
“Saya sedang mengerjakan proyek pembuatan perekat yang sangat kuat menggunakan serat sutra, dan ketika saya sedang membersihkan peralatan gelas saya dengan aseton, saya melihat bahan seperti jaring terbentuk di bagian bawah kaca,” jelas rekan penulis studi Marco Lo Presti. seorang asisten profesor peneliti di Universitas Tufts.
Kecelakaan ini menjadi sebuah peluang, karena berhasil mengatasi beberapa tantangan teknik untuk menciptakan sutra sintetis yang menyerupai tenunan laba-laba. Larutan fibroin sutra dapat membentuk hidrogel semi padat jika terkena etanol atau aseton selama beberapa jam. Dopamin – bahan kimia yang digunakan untuk membuat perekat – memungkinkan bahan tersebut segera terbentuk menjadi padat. Pencucian dengan pelarut organik cepat tercampur, dan larutan sutra menghasilkan serat yang lengket dan keras.
Langkah selanjutnya adalah menguji kekuatan serat. Para peneliti menambahkan dopamin ke dalam larutan fibroin sutra untuk menarik air dari sutra, sehingga mempercepat proses dari fase cair ke fase padat. Lapisan tipis larutan sutra dilepaskan melalui jarum koaksial dan dilapisi dengan lapisan aseton untuk memicu pemadatan.
Aseton kemudian menguap di udara sehingga menghasilkan serat yang menempel pada benda yang ditemuinya. Untuk meningkatkan efektivitas sutra, para ilmuwan juga menambahkan kitosan. Ini adalah gula yang ditemukan pada kerangka luar serangga yang membuat daya tahan seratnya 200 kali lebih kuat. Selain itu, mereka menyertakan buffer borat untuk meningkatkan daya rekat sekitar 18 kali lipat.
Serat sutra buatan laboratorium berdiameter rambut manusia hingga sekitar setengah milimeter, tergantung jarumnya. Perangkat tersebut dapat menembakkan serat yang mampu mengangkat benda yang beratnya 80 kali lipat. Misalnya, serat sutera mengangkat kepompong, baut baja, tabung laboratorium yang mengapung di atas air, pisau bedah yang setengah terkubur di pasir, dan balok kayu yang berjarak 12 sentimeter.
“Jika Anda melihat alam, Anda akan menemukan bahwa laba-laba tidak dapat menembak jaringnya. Mereka biasanya memintal sutera dari kelenjarnya, menyentuh permukaan secara fisik, dan menarik garis untuk membuat jaringnya,” catat Lo Presti. “Kami mendemonstrasikan cara menembakkan fiber dari suatu alat, kemudian menempel dan mengambil suatu benda dari jarak jauh. Daripada menampilkan karya ini sebagai materi yang terinspirasi dari bio, ini sebenarnya adalah materi yang terinspirasi dari pahlawan super.”
Tetap saja, tidak ada yang mengalahkan aslinya. Sutra tenunan laba-laba tetap 1.000 kali lebih kuat dibandingkan serat buatan yang dijelaskan dalam penelitian ini. Laba-laba bukan satu-satunya hewan penghasil benang sutra. Semut, tawon, lebah, kupu-kupu, ngengat, kumbang, dan lalat juga dapat menghasilkan sutra selama siklus hidupnya.
Mereplikasi serat sutra serupa dapat digunakan untuk banyak aplikasi. Protein sutera utama telah digunakan sebelumnya untuk membuat lem kuat yang bekerja di bawah air, sensor yang dapat dicetak untuk permukaan apa pun, pelapis yang dapat dimakan untuk memperpanjang umur simpan produk, bahan pengumpul cahaya yang dapat membuat sel surya lebih efektif, dan metode pembuatan yang berkelanjutan. mikrochip.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Penelitian ini berfokus pada pembuatan bahan yang terinspirasi dari perekat alam, seperti sutra laba-laba dan protein kerang. Para peneliti menggabungkan fibroin sutra, sebuah protein dari Bombyx mori sutra, dengan dopamin, senyawa yang dikenal karena sifat lengketnya, untuk membentuk bahan komposit. Larutan komposit yang disebut RSF-DA ini telah diuji kemampuannya dalam membentuk serat yang kuat, fleksibel, dan lengket.
Solusinya disuntikkan ke dalam aseton menggunakan peralatan khusus untuk membentuk serat-serat ini secara instan. Dengan menyesuaikan konsentrasi dopamin dan menambahkan bahan pengisi seperti kitosan atau buffer borat, mereka mengontrol sifat mekanik dan perekat serat. Serat-serat ini diuji kekuatan dan kemampuan rekatnya menggunakan uji lap-shear dan pengukuran kekuatan tarik.
Kunci Hasil
Para peneliti menemukan bahwa dengan mencampurkan dopamin dengan larutan fibroin sutra, mereka dapat dengan cepat membentuk serat hidrogel dengan sifat perekat. Serat-serat ini cukup kuat untuk mengangkat benda dan dapat diatur agar menempel lebih baik atau meregang lebih jauh, bergantung pada bahan tambahan yang digunakan.
Misalnya, penambahan kitosan membuat serat menjadi lebih kaku, sedangkan buffer borat meningkatkan kelengketannya. Serat terkuat dapat mengangkat benda 80 kali beratnya sendiri, dan serat perekat dapat disesuaikan agar dapat bekerja pada berbagai bahan seperti kaca, kayu, dan plastik. Singkatnya, tim berhasil membuat serat yang bisa digunakan untuk mengambil benda dari jarak jauh, mirip jaring laba-laba.
Keterbatasan Studi
Serat bekerja paling baik di lingkungan terkendali, dan kinerjanya bervariasi tergantung pada bahan permukaan. Efektivitas serat juga bergantung pada komposisinya, dan proses pembuatannya memerlukan kondisi tepat yang mungkin sulit untuk ditiru di luar laboratorium. Selain itu, meskipun seratnya cukup kuat untuk mengangkat benda kecil, diperlukan lebih banyak penelitian untuk meningkatkannya agar dapat diterapkan dalam skala yang lebih besar atau lebih praktis.
Diskusi & Kesimpulan
Studi ini menunjukkan pendekatan inovatif untuk menciptakan bahan-bahan yang terinspirasi oleh bio yang dapat berguna dalam bidang-bidang seperti robotika, kedokteran, atau ilmu material. Penciptaan serat perekat yang kuat dan dapat dipasang dari jarak jauh membuka kemungkinan baru untuk menangkap dan mengambil objek dengan cara yang sebelumnya hanya terlihat di alam atau fiksi.
Meskipun teknologi ini masih dalam tahap awal, teknologi ini menunjukkan potensi yang signifikan untuk mengembangkan perekat dan bahan baru yang dapat disesuaikan untuk berbagai tugas. Kesimpulan utamanya adalah desain yang terinspirasi dari alam, terutama dari laba-laba dan kerang, dapat menghasilkan terobosan teknologi dengan penerapan yang luas.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini dilakukan oleh para ilmuwan dari Universitas Tufts dan Universitas Bari, tanpa dilaporkan adanya konflik kepentingan komersial atau finansial.
