Extensible biocomposite fibers from recombinant spider silk like proteins and 2D MXene nanoflakes
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
Spider silk-based materials provide exceptional mechanical performance, especially their unique combination of strength and elasticity, which makes them highly attractive for wearable textiles. Recombinant spider silk-like proteins can be produced in various hosts and spun into fibers with excellent mechanical properties (Gosline et al., 1999). MXenes are two-dimensional metal nitrides and carbides with high electrical conductivity, making them suitable material for electronic devices. Their chemical composition includes a functional group, enabling combination of MXenes with various biomolecules (Gogotsi & Huang, 2021). To exploit the excellent properties of both materials, this thesis aimed to explore a method to produce composite fibers from Recombinant silk-like protein ADF-3 and MXene with chemical composition of Ti3C2Tx, and characterize their mechanical, chemical and electrical properties. Tensile tests revealed an extensibility up to 387 %, strength up to 15.2 MPa and toughness up to 39.4 MJm-3 for composite fiber. The corresponding values for pure silk were 14.7 %, 5.0 MPa and 0.83 MJm-3, respectively, indicating a significant improvement with MXene incorporation. The extensibility was significantly enhanced compared to previously reported values, whereas strength and toughness remained moderate. Secondary structure analysis further indicated an enhanced -sheet formation in the presence of MXene. However, the electrical performance remained limited, likely due to low MXene content and small effective cross-sectional area of thin fibers and films. This work demonstrates a promising approach for incorporating MXene into protein spinning dopes, revealing notable improvements in mechanical behaviour of composite fibers. However, further optimization is required to fully reveal the electrical properties of MXene, whereas this work provides a valuable foundation for further research. Continuous spinning methods, such as wet spinning could provide more presice process control and therefore ensure the consistent quality fibers. Additionally, adjustment of MXene concentration is required for achieving electrical conductivity required for wearable electronics.Hämähäkinseittipohjaisilla materiaaleilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ollessaan erityisen vahvoja ja elastisia, mikä tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon puettaviin tekstiileihin. Hämähäkinseitin kaltaiset proteiinit voidaan tuottaa rekombinantisti useissa eri organismeissa ja kehrätä kuiduiksi (Gosline et al., 1999). MXenet ovat kaksiuloitteisia metallikarbideja ja -nitridejä, joilla on poikkeuksellisen hyvä sähkönjohtavuus, joka tekee niistä elektroniikkalaitteisiin sopivan materiaalin. MXenen rakenteessa on funktionaalinen ryhmä, joka mahdollistaa niiden yhdistämisen useisiin biomolekyyleihin (Gogotsi & Huang, 2021). Tämä diplomityö esittää menetelmän yhdistää kummankin materiaalin uniikit ominaisuudet tuottamalla kuituja ADF-3 proteiinista ja MXenestä, jonka kemiallinen rakenne Ti3C2Tx kuituja. Lisäksi tässä työssä karakterisoidaan komposiittimateriaalista valmistettujen kuitujen mekaanisia, kemiallisia ja sähköisiä ominaisuuksia. Tulokset osoittivat komposiittikuiduille jopa 387 % venyvyyden, 15.2 MPa murtolujuuden sekä 39.4 MJm-3 sitkeyden, kun vastaavat arvot puhtaalle silkille olivat 14.7 %, 5.0 MPa ja 0.83 MJm-3. Tulos osoittaa merkittävää mekaanisen suorituskyvyn paranemista MXenen lisäyksen myötä. Erityisesti kuidun venyvyys parani huomattavasti aikaisempiin tutkimustuloksiin verrattuna, mutta murtolujuus ja sitkeys jäi aiemmin raportoitua alhaisemmaksi. Sekundäärirakenteessa havaittiin lisäksi voimistunutta -levyjen muodostumista MXeneä sisältävissä kuiduissa. Sähköiset ominaisuudet jäivät rajoittuneiksi matalan MXene-pitoisuuden sekä kuitujen ja kalvojen pienen poikkipinta-alan vuoksi. Tämä työ osoittaa lupaavan lähestymistavan MXenen integroimiseksi proteiinikuitujen kehräysliuokseen, ja paljastaa huomattavia parannuksia komposiittikuitujen mekaanisiin ominaisuuksiin. Prosessi kuitenkin vaatii yhä optimointia MXenen sähköisten ominaisuuksien hyödyntämiseksi, mutta esitetyt tulokset tarjoavat arvokkaan pohjan myöhemmille tutkimuksille. Jatkuvat kehräysmenetelmät, kuten märkäkehräys voisi tarjota paremmat mahdollisuudet prosessin kontrolloimiseen sekä siten varmistaa kuitujen tasalaatuisuuden. Lisäksi MXenen pitoisuutta on säädettävä, jotta saavutetaan tarvittava sähkönjohtavuus, jolla komposiittimateriaalia voitaisiin hyödyntää esimerkiksi puettavissa elektroniikkalaitteissa.Description
Supervisor
Aranko, SesiljaThesis advisor
Fan, RuxiaLyu, Zhongpeng