A pókselyem egyfajta természetes, kiváló teljesítményű bioanyag. Mechanikai tulajdonságai és biokompatibilitása összehasonlíthatatlan más természetes és mesterséges anyagokéval. Bár egy rendkívüli anyagról van szó, de a természetes forrásból szerezhető pókselyem mennyisége elenyésző, még akkor is ha “nagyüzemben” például egy pókfarmról nyernék ki a pókselymet.

Ezért a bionika alapelvei és a természetes pókselyem szerkezetének és működésének megértése alapján a természetes pókselyem előnyeit kihasználó új bionikus anyagok tervezése nagy tudományos jelentőséggel és alkalmazási értékkel bír.

Ezenkívül a természetes pókselyem feldolgozása rendkívül nehéz, és a kialakított pókselyem nehezen alakítható más, különleges formára. Ezért a természetes pókselyem alkalmazási köre erősen korlátozott, és új módszereket és megközelítéseket kell keresni ahhoz, hogy a természetes pókselyemhez hasonló szerkezetű és funkciójú új anyagokat nagy számban lehessen előállítani.

Lehetőségek

Több mint fél évszázada a szintetikus polimer anyagok térhódítása nemcsak egyfajta praktikus anyagot hozott az emberek életébe, hanem komoly “fehér szennyezést” is okozott, mivel nem tudtak újrahasznosíthatóvá válni, és nem voltak biológiailag lebomlóak. Most, hogy a fenntartható fejlődés közös témává vált, egyre sürgetőbbé válik a fenntartható fejlődésnek megfelelő anyagok kifejlesztése. Így a bioanyagok kutatása és fejlesztése az építőipari kutatásoknak is az egyik fontos területévé vált. A természetes biológiai anyagok közül a pókselyem kiváló átfogó tulajdonságaival egyre több építőiparral foglalkozó mérnök, tervező és kutató figyelmét kelti fel.

A pókselyem tulajdonságai és jellemzői

A természetes pókselyem egy természetes fehérje-biovegyület, amelyet a pókok a szövőmirigyeiken keresztül választanak ki. A bioelasztikus rostok egyik típusába tartozik, és a természetben előállított anyagok közül az egyik legjobb tulajdonságokkal rendelkezik, mármint ami az építőipari felhasználását illeti. Az emberek már évezredekkel ezelőtt is tisztában voltak a pókselyem alkalmazási értékével. Az ókori görögök a pókselymet vérzéscsillapításra, sebgyógyításra és még horgászzsinórként is használták.

A második világháború idején a pókselymet célkeresztként használták a fegyverek távcsöveinek optikai rendszerének célzóberendezésében.  A pókselyem az utóbbi években is az egyik leginkább kutatott téma volt, és nagyszerű alkalmazásokat és kereskedelmi értéket mutatott különböző területeken, így az építőiparban is.

A természetes pókselymet az építőiparban elsősorban a kiemelkedő mechanikai szilárdsága, hőmérsékleti alkalmazkodóképessége és összetétele miatt lehet jövője, ezenfelül nagy fajlagos szilárdsággal, kiváló rugalmassággal és rendkívüli szívóssággal rendelkezik, ami összehasonlíthatatlan más természetes vagy akár szintetikus anyagokkal.

A pókfonal fajsúlyához képest háromszor erősebb mint az aramid, ötször erősebb mint az acél, és kétszer rugalmasabb mint a nylon. A pókselyem fő kémiai összetevői a glicin, az alanin és kis mennyiségű szerin, és kiváló rugalmassággal és szilárdsággal rendelkezik.

A pókselyem nyúlása valamivel nagyobb, mint a selyemé és a nejloné, és a szakadási nyúlás akár a hosszának két-négyszeresét is elérheti, ami sokkal nagyobb, mint az acélé és a kevláré, tehát a pókselyem nagyon rugalmas. A pókselyem rendelkezik a legnagyobb törési energiával, így szívóssága sokkal jobb, mint más anyagoké. A fenti tulajdonságok alapján a pókselyem nagy ütőerőket képes elviselni anélkül, hogy megsérülne, statikus terhelése és ütésállósága pedig jobb, mint a legtöbb más mesterséges és természetes anyagoké.

Ezenkívül a pókselyemnek az a képessége is lenyűgöző, hogy képes elnyelni a rezgéseket. Amikor a pókselymet ütés éri akkor az összezsugorodik, de a mechanikai energia egy része hőenergiává alakul át, ami miatt végül elenyészik az ütésből származó energia és a rezgése megszűnik.

A pókselyem jó hőmérséklet tűréssel is rendelkezik. A pókselyem még 200°C-on is jó stabilitással rendelkezik, de a szerkezete megsemmisül, ha a hőmérséklet 300°C fölé emelkedik. A pókselyem alacsony hőmérsékletű környezetben is jól teljesít, és -40°C-os hőmérsékleten is megőrzi rugalmasságát, és csak ez alatt a hőmérséklet alatt keményedik meg, és veszít a rugalmasságából. Ezért a pókselyemből készült anyagok előnyei különösen jelentősek bizonyos magas és alacsony hőmérsékletei viszonyokat elviselni kénytelen építészeti alkalmazásokban.

A pókselyem viszont nagyon érzékeny a vízre. Vízbe merítve a pókselyem szálak összezsugorodnak, és ez negatívan befolyásolja a pókselyem mechanikai tulajdonságait. A pókselyem ezen zsugorodási jelenségét szuperkontrakciónak nevezik, emellett nedvesség hatására a pókselyemszálak mérete is megváltozik, és szakítószilárdsági tulajdonságai is lecsökkennek.

Pókselyemmel kapcsolatos építőipari fejlesztések

A mesterséges pókselyemből a selyemhez hasonló ruházatot lehet készíteni, mert az ilyen anyagból készült ruhák jó légáteresztő képességűek, képesek felszívni az izzadságot, és ellenállóbbak a kopással szemben. A mesterségesen készített pókselyem alkalmas ruházat, különösen védőruházat gyártására.

A mesterségesen előállított pókselyem pórusméretének és a mikropórusok számának beállításával az anyag vízálló, nedvességáteresztő, légáteresztő és hőátadó tulajdonságai módosíthatók a különböző védőruházat igényeinek megfelelően. Különböző anyagfejlesztések után UV- és antibakteriális funkcióval rendelkező kompozit nanopókhálószálas szőnyeget gyártottak. TIO2 (titándioxid) hozzáadásával a mesterséges pókselyemből készült szálszőnyeg UV-abszorpciója nő, az UV-reflexió pedig csökken.

Nedvesség érzékelők

Kihasználva a fibroin (egy oldhatatlan fehérje amit pókok állítanak elő) környezeti nedvességre való nagyon érzékeny természetét, egy új típusú, nagy érzékenységű nedvességérzékelőt készítettek. Az eredmények azt mutatják, hogy az érzékelő kiváló stabilitással, ismételhetőséggel és hőmérséklet-ellenállással rendelkezik.

Minél magasabb a környezeti páratartalom, annál nagyobb az érzékenység. Az érzékenység maximális értéke 0,99 nm/% RH a 90-99%-os páratartalom-tartományban. Az ilyen érzékelőket fel lehet használni egy épület számos pontján nagy pontosságú páratartalom mérésére, amit valamilyen automatikával összekötve automatikusan tudja szabályozni a belső terek viszonyait.

Rezgéscsillapítás

A pókháló különböző többféle minőségű selyemből tevődik össze, ami hatékonyan csökkenti és elnyeli a különböző frekvenciák rezgését. A pókselyem ultra-nagy szilárdságával például a hidak és épületek megerősítésében (főleg a földrengések során), is szerepet tud játszani, remélhetőleg a közeljövőben.

A (mesterséges) pókselyem jövője

A mai pókselyem-technológia több tudományágat és területet érint, például a biológiát, a kémiát és a polimerizációval kapcsolatos kutatásokat. A jövőben a mesterséges pókselyemmel kapcsolatos fejlesztéseket tovább fogják vizsgálni, és a pókselyem mechanikai tulajdonságait és biokompatibilitási mechanizmusát tovább fogják elemezni a molekuláris összetétel és szerkezet szempontjából, és alkalmazását a mesterséges szálak tervezésének javítására vagy más anyagok teljesítményének növelésére fogják használni.