วัสดุคล้ายผ้าขนสัตว์สามารถจดจำและเปลี่ยนรูปร่างได้

ใครก็ตามที่เคยยืดผมของตัวเองจะรู้ดี น้ำคือศัตรูตัวฉกาจผมที่ยืดอย่างระมัดระวังด้วยความร้อนจะเด้งกลับเป็นลอนทันทีที่สัมผัสน้ำทำไมเพราะผมมีความทรงจำรูปร่างคุณสมบัติของวัสดุทำให้สามารถเปลี่ยนรูปร่างตามสิ่งเร้าบางอย่างและกลับสู่รูปร่างเดิมเพื่อตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นอื่นๆ
จะเกิดอะไรขึ้นถ้าวัสดุอื่นๆ โดยเฉพาะสิ่งทอ มีหน่วยความจำรูปร่างแบบนี้?ลองนึกภาพเสื้อยืดที่มีช่องระบายอากาศที่เปิดออกเมื่อสัมผัสกับความชื้นและปิดเมื่อแห้ง หรือเสื้อผ้าขนาดเดียวที่ยืดหรือหดได้ตามขนาดของบุคคล
ตอนนี้ นักวิจัยจาก Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ได้พัฒนาวัสดุที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ ซึ่งสามารถพิมพ์ 3 มิติเป็นรูปร่างใดก็ได้ และตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าด้วยหน่วยความจำรูปร่างแบบย้อนกลับได้วัสดุนี้ทำขึ้นโดยใช้เคราติน ซึ่งเป็นโปรตีนเส้นใยที่พบในเส้นผม เล็บ และเปลือกหุ้มนักวิจัยได้สกัดเคราตินจากขนแกะ Agora ที่เหลือซึ่งใช้ในการผลิตสิ่งทอ
การวิจัยนี้สามารถช่วยให้ความพยายามในวงกว้างในการลดของเสียในอุตสาหกรรมแฟชั่น ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อมลพิษที่ใหญ่ที่สุดในโลกนักออกแบบอย่าง Stella McCarthy กำลังคิดใหม่ว่าอุตสาหกรรมนี้ใช้วัสดุอย่างไร ซึ่งรวมถึงผ้าขนสัตว์ด้วย
“ด้วยโครงการนี้ เราได้แสดงให้เห็นว่า ไม่เพียงแต่เราสามารถรีไซเคิลขนสัตว์ได้ แต่เราสามารถสร้างสิ่งต่าง ๆ จากขนสัตว์รีไซเคิลที่ไม่เคยมีมาก่อน” คิท พาร์คเกอร์ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวภาพและฟิสิกส์ประยุกต์ของ Tarr Family ที่ SEAS และผู้อาวุโสกล่าว ผู้เขียนบทความ“ผลกระทบต่อความยั่งยืนของทรัพยากรธรรมชาตินั้นชัดเจนด้วยโปรตีนเคราตินที่นำกลับมาใช้ใหม่ เราสามารถทำได้มากเท่ากับหรือมากกว่าสิ่งที่เคยทำโดยการตัดสัตว์จนถึงปัจจุบัน และในการทำเช่นนั้น จะลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของอุตสาหกรรมสิ่งทอและแฟชั่น”
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน Nature Materials
กุญแจสู่ความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเคราตินคือโครงสร้างแบบลำดับชั้น Luca Cera นักวิชาการดุษฎีบัณฑิตที่ SEAS และเป็นผู้เขียนบทความคนแรกกล่าว
เคราตินสายเดี่ยวถูกจัดเรียงเป็นโครงสร้างคล้ายสปริงที่เรียกว่าอัลฟ่าเฮลิกซ์โซ่สองเส้นนี้บิดเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่เรียกว่าขดขดขดลวดขดเหล่านี้จำนวนมากประกอบเป็นโปรโตฟิลาเมนต์และในที่สุดก็กลายเป็นเส้นใยขนาดใหญ่
Cera กล่าวว่า "การจัดโครงสร้างเกลียวอัลฟ่าและพันธะเคมีเกี่ยวพันทำให้วัสดุมีความแข็งแรงและจดจำรูปร่างได้
เมื่อเส้นใยถูกยืดออกหรือสัมผัสกับสิ่งเร้าบางอย่าง โครงสร้างที่เหมือนสปริงจะคลายออก และพันธะจะปรับโครงสร้างใหม่ให้เป็นแผ่นเบตาที่เสถียรเส้นใยยังคงอยู่ในตำแหน่งนั้นจนกว่าจะถูกกระตุ้นให้ม้วนกลับเป็นรูปร่างเดิม
เพื่อแสดงกระบวนการนี้ นักวิจัยได้พิมพ์แผ่นเคราติน 3 มิติในรูปทรงต่างๆพวกเขาตั้งโปรแกรมรูปร่างถาวรของวัสดุ ซึ่งเป็นรูปร่างที่จะกลับมาเป็นเสมอเมื่อถูกกระตุ้น โดยใช้สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และโมโนโซเดียมฟอสเฟต
เมื่อตั้งค่าหน่วยความจำแล้ว แผ่นงานสามารถตั้งโปรแกรมใหม่และขึ้นรูปเป็นรูปร่างใหม่ได้
ตัวอย่างเช่น แผ่นเคราตินหนึ่งแผ่นถูกพับเป็นรูปดาวโอริกามิที่ซับซ้อนเป็นรูปร่างถาวรเมื่อหน่วยความจำถูกตั้งค่าแล้ว นักวิจัยก็จุ่มดาวลงในน้ำ โดยที่ดาวจะกางออกและอ่อนตัวได้จากนั้นพวกเขาก็รีดแผ่นเป็นท่อแน่นเมื่อแห้งแล้ว แผ่นจะถูกล็อคเป็นท่อที่มีความเสถียรและทำงานได้อย่างสมบูรณ์ในการย้อนกลับกระบวนการ พวกเขาใส่ท่อกลับเข้าไปในน้ำ คลี่และพับกลับเป็นดาวโอริกามิ
Cera กล่าวว่า "กระบวนการสองขั้นตอนของการพิมพ์วัสดุ 3 มิติและการตั้งค่ารูปร่างถาวรช่วยให้สามารถสร้างรูปร่างที่ซับซ้อนจริงๆ ด้วยคุณสมบัติโครงสร้างที่ระดับไมครอน""สิ่งนี้ทำให้วัสดุเหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่สิ่งทอไปจนถึงวิศวกรรมเนื้อเยื่อ"
“ไม่ว่าคุณจะใช้เส้นใยในลักษณะนี้เพื่อทำเสื้อชั้นในที่สามารถปรับขนาดและรูปร่างของถ้วยได้ทุกวัน หรือคุณกำลังพยายามทำสิ่งทอที่กระตุ้นสำหรับการรักษาทางการแพทย์ ความเป็นไปได้ของงานของ Luca นั้นกว้างและน่าตื่นเต้น” Parker กล่าว“เรากำลังสร้างสรรค์สิ่งทอใหม่อย่างต่อเนื่องโดยใช้โมเลกุลชีวภาพเป็นสารตั้งต้นทางวิศวกรรมอย่างที่ไม่เคยใช้มาก่อน”