Structural Origins of Silk Piezoelectricity

结晶度 丝绸 丝素 材料科学 压电 复合材料 傅里叶变换红外光谱 水溶液 化学工程 有机化学 化学 工程类
作者
Tuna Yücel,Peggy Cebe,David L. Kaplan
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:21 (4): 779-785 被引量:128
标识
DOI:10.1002/adfm.201002077
摘要

Uniaxially oriented, piezoelectric silk films were prepared by a two-step method that involved: (1) air drying aqueous, regenerated silk fibroin solutions into films, and (2) drawing the silk films to a desired draw ratio. The utility of two different drawing techniques, zone drawing and water immersion drawing were investigated for processing the silk for piezoelectric studies. Silk films zone drawn to a ratio of λ= 2.7 displayed relatively high dynamic shear piezoelectric coefficients of d(14) = -1.5 pC/N, corresponding to over two orders of magnitude increase in d(14) due to film drawing. A strong correlation was observed between the increase in the silk II, β-sheet content with increasing draw ratio measured by FTIR spectroscopy (C(β)∝ e(2.5) (λ)), the concomitant increasing degree of orientation of β-sheet crystals detected via WAXD (FWHM = 0.22° for λ= 2.7), and the improvement in silk piezoelectricity (d(14)∝ e(2.4) (λ)). Water immersion drawing led to a predominantly silk I structure with a low degree of orientation (FWHM = 75°) and a much weaker piezoelectric response compared to zone drawing. Similarly, increasing the β-sheet crystallinity without inducing crystal alignment, e.g. by methanol treatment, did not result in a significant enhancement of silk piezoelectricity. Overall, a combination of a high degree of silk II, β-sheet crystallinity and crystalline orientation are prerequisites for a strong piezoelectric effect in silk. Further understanding of the structural origins of silk piezoelectricity will provide important options for future biotechnological and biomedical applications of this protein.
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