Шовкова геометрія в економікі

Визнання проблеми — це вже половина її рішення. Існують сотні біологічних видів, які продукують шовкову нитку. Мурахи, оси, бджоли, мідії та павуки належать до них. Проте тільки тутовий шовкопряд став комахою, що служить на потребу людині. У наш час сучасні прилади дозволяють виконати аналіз на нанорівні усіх різновидів шовкової нитки. Вчені намагаються зрозуміти, як ці природні полімери можуть перевершити деякі синтетичні аналоги і навіть певні метали, такі як титан, що вважається найміцнішим серед металів. Якщо людство зможе навчитись виробляти біологічно сумісні полімери, як це роблять інші види, за умов збереження довкілля та використовуючи доступні екологічні речовини, перед нами відкриється абсолютно новий світ можливостей та потенційно ефективний цикл відновлення ґрунту та стабілізації клімату.

У свій час, перебуваючи з Смітсонівською місією в Центральній Америці, професор Оксфордського університету Фріц Вольрат наштовхнувся на біологічний вид павука-шовкопряда (лат. Nephila clavipes), який плете павутину золотистого кольору діаметром один метр. Професор був вражений експериментальним підтвердженням того, що колір виконує подвійну функцію: не лише приваблює жертву, а й забезпечує маскування. Десятки років досліджень складових шовкової нитки та її характерних властивостей — пружності, міцності і гнучкості, призвели до усвідомлення того, що створення шовкової павутини можливе за рахунок геометрії в наномасштабі. Відомо, що геометрія — розділ математики, в цьому випадку Ф. Вольрат скористався досягненнями геометрії для визначення того, як кристалічна та некристалічна структура шовку створює різну міцність сітки, що часто перевищує метали та пластики. Лише за рахунок контролю тиску та вологості в задній частині свого черевця під час процесу прядіння, павук здатен виготовляти сім різних видів шовкової нитки.

Павутина павука-шовкопряда (лат. Nephila clavipes) перевершує багато інших за такими показниками як межа міцності на розрив та здатність адаптуватися до зміни умов. Висока ступінь розтягування шовкової нитки павука формується завдяки контрольованому змішуванні в процесі виготовлення пряжі усіх протеїнів, що містяться в шовку. Це змішування протеїнів залежить від своєчасного виділення води, яке забезпечується не чим іншим, як тиском у черевці павука. Порівняння пряжі павука та пряжі комахи, здійснені професором Ф. Вольратом, забезпечили глибше розуміння процесів екструзії.

Павуки володіють унікальною здатністю переробляти свою павутину, щоб використати її для задоволення нових потреб. Поглинаючи порції своєї павутини, яку вони бажають відновити, вони тим самим перетворюють полімери у характерні для них амінокислоти. Як можна не захоплюватися таким видовищем? Воно моделює один з найкращих, що був коли-небудь розроблений людством, спосіб переробки полімерів! Можна співставити це з одноразовим пластиком, який повсюди використовується в нашому сучасному житті та, потрапивши на сміттєзвалища, але не будучи переробленим, продовжує засмічувати довкілля. Жахливий приклад «пластикової» життєдіяльності людини ми бачимо в Тихому океані, де одноразовий посуд, пакети, тара зібрались в масивний плаваючий континент, що отруює життя. Цього можна уникнути зрозумівши процеси відновлення полімерів у павуків.

І хоча будь-якому випадку, досить складно одомашнити павуків, адже цей вид досить агресивний, навіть якщо вдасться подолати їх захисну поведінку, це призведе до зниження продуктивності виробництва шовкової нитки. Хоча павуки з легкістю переробляють велику кількість матеріалу, перетворюючи свою павутину в нове різноманіття шовку, пристосовуючи його до змінених обставин, це відбувається за рахунок невеликих зусиль додаткового виробництва. Ці обмеження на використання павуків у виробництві шовкової нитки підштовхнули Ф. Вольрата провести порівняння структури шовку, утвореного тутовим шовкопрядом, з шовком, утвореним павуком- шовкопрядом. Використовуючи основні амінокислоти як структурні одиниці, він та його оксфордська команда відтворили метод отримання шовку від тутового шовкопряда, щоб співставити з шовком, який продукується самим павуком. Перетворений полімер, який вони отримали, був шовком з властивостями ідентичними тим, які роблять версію павука унікальною.

Професор Ф. Вольрат захоплений ідеєю розробки системного підходу до виробництва біологічно сумісних полімерів з відновлюваних ресурсів, що подібний до принципів оригінальної китайської стратегії відновлення верхнього шару ґрунту. Спираючись на своє далекоглядне дослідження,

Ф. Вольрат заснував комерційне підприємство, яке виробляє ці полімери та визначає ринки, де ці біологічно сумісні продукти можуть використовуватись та мати нижчу ціну від полімерів, синтезованих з нафти та дорогих сплавів металів. Замість створення додаткової шкоди довкіллю, як це є у випадку з продуктами, що сприяють виникненню парникових газів, ці продукти можуть допомогти переорієнтувати нашу економіку на зразок методу виробництва шовку в Китаї: регенерація, відновлення та достатня кількість гумусу, високі врожаї та поглинання вуглецю.

Відомо, що більше століття тому річний вихід шовку-сирцю становив близько одного мільйона тонн. Теперішній обсяг виробництва — менше 100 тис. тонн на рік. За винятком ексклюзивних дорогих тканин, наприклад тих, що виготовляються фірмою “Hermes”, текстильна промисловість чи сфера виробництва одягу майбутнім ринком для шовку не будуть. Шовкові тканини не можуть змагатися за ціною з відомими синтетичними полімерами — продуктами нафтохімії, які займають значну долю ринку в текстильній промисловості. У будь-якому разі, шовк значно перевершує (за шістьма показниками в ціні та виконанні) дорогі метали, такі як нержавіюча сталь і титан. На сьогодні титан став стандартним структурним матеріалом у конструюванні реактивних двигунів, космічних кораблів, установок для опріснення води, медичних протезів, ортопедичних імплантатів, зубних імплантатів, спортивних товарів і мобільних телефонів. Хоча аерокосмічна індустрія, яка є найбільшим споживачем збагаченого титану, постійно зростає, вміст титану у складі споживчих товарів, які раніше виготовлялись виключно з нержавіючої сталі, постійно збільшується, і перелік цих товарів досить великий — починаючи від велосипедних рам та ювелірних виробів до імплантатів та протезів.

Саме тут ми можемо визначитися з перетворенням можливої стратегії в бізнес-концепцію, яка може дати поштовх новій моделі економічного розвитку. Виробництво титану з руди потребує великої кількості магнію, хлору і газоподібного аргону. Титан повинен виготовлятись в інертному середовищі для захисту його від контамінації (змішування) з оксигеном, нітрогеном чи гідрогеном: й енерговитрати, і використання рідкісних корисних копалин є значними, тому кінцевий продукт має високу ціну на ринку. Оброблений та готовий до використання титан має високий коефіцієнт конструктивної якості — відношення межі міцності до густини, високу опірність кисню та корозії, спричиненій морською водою. Завдяки цим якостям, покупці готові сплачувати значні кошти, ігноруючи подвійну шкоду, яка завдається довкіллю. Коли ми проведемо порівняльний аналіз життєвого циклу титану з простотою перетворення листя тутового дерева в шовк, що відбувається за температури навколишнього середовища, тиску та вологи, то стане очевидним, що шовк перевищує показник збалансованості. Компанії, які забажають скористатися інновацією професора Ф.Вольрата для нанорозмірного контролю геометрії шовку, переконаються, що ці біологічно сумісні шовкові полімери є ідеальним замінником високоякісних металів.

Посилання на основну публікацію