Charting the envelope of mechanical properties of synthetic silk fibers through predictive modeling of the drawing process

丝绸 韧性 材料科学 蜘蛛丝 纤维 包络线(雷达) 拉曼光谱 过程(计算) 各向异性 计算机科学 复合材料 光学 物理 电信 操作系统 雷达
作者
Jacob J. Graham,Shri Venkatesh Subramani,Xinyan Yang,T. P. Russell,Fuzhong Zhang,Sinan Keten
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (10): eadr3833-eadr3833 被引量:5
标识
DOI:10.1126/sciadv.adr3833
摘要

A major challenge in synthesizing strong and tough protein fibers based on spider silk motifs is understanding the coupling between protein sequence and the postspin drawing process. We clarify how drawing-induced elongational force affects ordering, chain extension, interchain contacts, and molecular mobility through mesoscale simulations of silk-based fibers. We show that these emergent features can be used to predict mechanical property enhancements arising from postspin drawing. Simulations recapitulate a purely process-dependent mechanical property envelope in which order enhances fiber strength while preserving toughness. The relationship between chain extension and crystalline domain alignment observed in simulations is validated by Raman spectroscopy of wet-spun fibers. Property enhancements attributed to the progression of anisotropic extension are verified by mechanical tests of drawn silk fibers and justified by theory. These findings elucidate how drawing enhances properties of protein-based fibers and shed light on how to incorporate this effect into predictive models.
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