Structural and Morphological Characterization of Tussar and Bivoltine Silk Fibers

Sintesi Tecnica: Caratterizzazione Strutturale e Morfologica delle Fibre di Seta Tussar e Bivoltina

Problema di Ricerca
Le fibre di seta, composte principalmente da fibroina e sericina, sono apprezzate per la loro combinica unica di resistenza meccanica, flessibilità e biocompatibilità. Tuttavia, diverse varietà di seta possiedono proprietà fisico-chimiche distinte, guidate dai loro specifici profili amminoacidici e dalle loro organizzazioni molecolari. Sebbene la seta Tussar (selvatica, proveniente da specie Antheraea) e la seta Bivoltina (domesticata, da Bombyx mori) siano entrambe tecnologicamente significative, le loro differenze fondamentali nella risposta agli stimoli fisici esterni, in particolare all'irradiazione elettromagnetica, non sono ancora ben comprese a livello microstrutturale. La letteratura esistente si concentra ampiamente su singoli tipi di seta o su film trattati chimicamente, lasciando un vuoto conoscitivo riguardante la risposta comparativa delle fibre naturali Tussar e Bivoltina sotto identiche condizioni di irradiazione. Questo studio affronta la necessità di confrontare sistematicamente queste due varietà per ottimizzare la loro selezione nell'ingegneria tessile avanzata, nelle impalcature biomediche e nella progettazione di compositi funzionali.

Metodologia
Lo studio ha impiegato un'analisi comparativa di fibre di seta Tussar e Bivoltina provenienti da istituzioni governative certificate in India. Il disegno sperimentale prevedeva:

1. Preparazione del Campione: Le fibre sono state pulite, asciugate e suddivise in gruppi di controllo (non trattati), irradiati per 5 minuti e irradiati per 10 minuti.
2. Irradiazione: I campioni sono stati sottoposti a irradiazione a microonde controllata (2,45 GHz, 1000W) per 5 e 10 minuti.
3. Tecniche di Caratterizzazione:
   • Diffrazione di Raggi X (XRD): Utilizzata per valutare la cristallinità, identificare le strutture a foglietto-$\beta$ e calcolare la dimensione dei cristalliti, la deformazione del reticolo, la densità di dislocazione e l'interspaziatura interplanare utilizzando l'equazione di Scherrer e il metodo di Williamson-Hall.
   • Spettroscopia Fourier-Transform Infrared (FTIR): Utilizzata per analizzare i legami chimici, i gruppi funzionali e la preservazione dello scheletro proteico (bande Ammide I, II e III).
   • Microscopia Elettronica a Scansione (SEM): Impiegata per osservare la morfologia superficiale, l'allineamento fibrillare e l'integrità strutturale.
   • Test Meccanici: Carico di rottura, allungamento e tenacità sono stati misurati per valutare l'integrità strutturale e la capacità di carico.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio rivela divergenze strutturali e meccaniche distinte tra i due tipi di seta in seguito all'esposizione alle microonde:

• Cristallinità e Analisi XRD:

  • Seta Tussar: Ha mostrato una significativa riduzione della cristallinità e dell'intensità di diffrazione dopo 5 minuti di irradiazione, indicando scissione delle catene e frammentazione strutturale. Sebbene sia stata osservata una parziale ripresa dell'intensità e della dimensione dei cristalliti a 10 minuti, la cristallinità è rimasta al di sotto del livello del campione grezzo, suggerendo una ricristallizzazione limitata e una tendenza verso uno stato amorfo.
  • Seta Bivoltina: Ha dimostrato una stabilità superiore. Mentre 5 minuti di irradiazione hanno causato una leggera diminuzione dell'intensità, 10 minuti di esposizione hanno prodotto un aumento significativo dell'intensità di diffrazione e dell'Indice di Cristallinità (CI), salendo dall'89% (grezzo) al 92%. Ciò indica una riorganizzazione molecolare indotta dall'irradiazione e un potenziamento dell'allineamento dei foglietti-$\beta$ senza distorsione del reticolo significativa.

• Spettroscopia FTIR:

  • Seta Tussar: Ha mostrato una riduzione delle intensità dei picchi e un allargamento delle bande dopo 5 minuti, suggerendo una parziale interruzione dei legami a idrogeno e dell'ordine dei foglietti-$\beta$.
  • Seta Bivoltina: Ha mostrato un'intensificazione e un affilamento continui delle bande Ammide I e II dopo 10 minuti, denotando un miglioramento dell'allineamento delle catene e un rafforzamento delle interazioni intermolecolari.

• Proprietà Meccaniche:

  • Seta Tussar: Le prestazioni meccaniche sono degradate significativamente dopo 5 minuti (riduzione del carico di rottura e della tenacità), ma hanno mostrato un notevole recupero a 10 minuti, superando leggermente i valori della fibra grezza.
  • Seta Bivoltina: Ha mostrato un aumento monotono delle proprietà meccaniche con il tempo di irradiazione. Carico di rottura, allungamento e tenacità sono migliorati progressivamente, con il campione da 10 minuti che ha mostrato la massima performance (ad esempio, la tenacità che aumenta da 2,19 a 2,857 g/den).

• Morfologia Superficiale (SEM):

  • Seta Tussar: Le fibre grezze apparivano più ruvide ed eterogenee. L'irradiazione ha indotto una visibile degradazione superficiale, inclusa rugosità, interruzione delle fibrille e discontinuità microstrutturali.
  • Seta Bivoltina: Le fibre grezze erano lisce e compatte. Post-irradiazione, le fibre sono rimaste strutturalmente intatte con solo lievi irregolarità superficiali, mantenendo una morfologia uniforme e compatta indicativa di un migliore impacchettamento molecolare.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo conclude che la seta Bivoltina possiede un'eccellente tolleranza all'irradiazione e un'adattabilità strutturale rispetto alla seta Tussar. Gli autori affermano che l'irradiazione a microonde controllata controlla efficacemente la microstruttura e le prestazioni della seta, in particolare per le varietà Bivoltine, promuovendo il riorientamento delle catene di fibroina e la stabilizzazione dei domini a foglietto-$\beta$.

Lo studio asserisce che questi risultati sono cruciali per la progettazione razionale di materiali di nuova generazione basati sulla seta. Nello specifico, la seta Bivoltina è identificata come un candidato più adatto per applicazioni che richiedono un'elevata stabilità strutturale e prestazioni meccaniche potenziate sotto irradiazione, come tessuti avanzati, materiali biomedici a carico e compositi funzionali. Al contrario, la suscettibilità della seta Tussar alla degradazione termica e strutturale suggerisce che essa possa essere più adatta per applicazioni in cui la porosità naturale e la texture estetica sono prioritarie rispetto al rinforzo strutturale indotto dall'irradiazione. Il lavoro sottolinea che la comprensione di queste risposte differenziali è essenziale per la selezione del tipo di seta appropriato e delle strategie di lavorazione nella progettazione di materiali funzionali.