Шёлковые материалы научатся секретам раствора пауков
Американские учёные определили, что паучий шёлк приобретает удивительную прочность и долговечность не только за счёт своих химических свойств, но и благодаря самому процессу его создания. Исследователи уверены, что эту технологию вполне можно перенять у природы и использовать при производстве многих искусственных материалов.
В своих опытах профессор инженерной механики Гаррет Маккинли (Gareth H. McKinley) из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology — MIT) и его студент Никола Койич (Nikola Kojic) изучали шёлк золотого кругопряда Nephila clavipes. Данный вид заинтересовал их потому, что паутина у этого кругопряда невероятно крепкая — в неё попадаются небольшие птицы, а рыбаки даже делают из неё сети.
В тот момент, когда паук производит нить, она на 30-40% состоит из различных белков, а остальное — это вода. Как рассказал Маккинли, паутина — удивительное изобретение природы: хотя материалом для её изготовления служит водный раствор, после высыхания она превращается в не растворимое в воде волокно.
Когда из коробки с «опытным образцом» вдруг выбежал такой красавчик, Никола Койич просто опешил: раньше доводилось работать только с червями-шелкопрядами… (фото Nikola Kojic и с сайта en.wikipedia.org.jpg).
Паучья нить состоит из длинных молекул, выглядящих, как спутанные спагетти. Эта смесь довольно тягучая, но её молекулы свободно скользят относительно друг друга.
Когда она проходит через S-образный сужающийся канал от желёз к выходному отверстию, молекулы в ней выстраиваются параллельно.
За счёт такого выравнивания жидкость, получающаяся на выходе из спиннерета (этот орган у пауков находится на брюшке и представляет собой систему каналов, из которых выходит паутина), оказывается похожей по структуре на жидкие кристаллы. По словам Койича, именно такой порядок молекул и придаёт нитям прочность.
Как показало моделирование, проведённое в лаборатории с помощью реометрических устройств (они предназначены для исследований деформации и текучести веществ), после прохождения жидкости через канал её вязкость резко увеличивается в десять раз.
Железа Nephila clavipes, производящая паутину (фото Jose Bico).
Исследователи обратили также внимание на тот факт, что при высыхании раствора внутри нитей формируются крошечные кристаллические структуры, которые дополнительно укрепляют паутину.
Учёные считают, что это очень важная особенность, которую следует учитывать при промышленном производстве искусственного шёлка. То есть в него попросту нужно добавлять специальные наночастицы, и они сделают его намного крепче.
Профессор Гаррет Маккинли его студент Никола Койич перед микрореометром, использовавшимся для измерения параметров паутинного шёлка (фото Donna Coveney).
А недавно группа специалистов (Silk Research Group) из университета Оксфорда (University of Oxford) под руководством профессора Фрица Воллрата (Fritz Vollrath) обнаружила, что процесс формирования шёлка у пауков во многом протекает так же, как и у тутовых шелкопрядов.
Интересно не только то, что это совершенно разные существа с разной эволюцией. Удивительно и то, что белки шёлка сильно различаются, хотя и обладают очень похожими свойствами.
Учёные нашли, что раствор, из которого эти насекомые создают нити, по некоторым параметрам схож с обычным пластиком. К примеру, исследователи обратили внимание на то, что при сжатии это вещество разжижается.
Такая характеристика необходима для того, чтобы пропустить раствор через канал (на выходе из которого, как мы уже знаем из другой работы, это вещество быстро густеет).
Таким же свойством обладает расплавленная пластмасса, что было открыто ещё в 1920-х годах. Поэтому можно сказать, что одна из технологий работы с природным шёлком у биологов уже есть.
Правда, неизвестно, предлагает ли Воллрат какие-нибудь варианты практического использования своего открытия.
А вот исследователи из Массачусетса заявили, что собираются в ближайшее время начать сотрудничать с Институтом военных нанотехнологий (MIT Institute For Soldier Nanotechnologies). Но что они благодаря этому хотят получить и какие материалы надеются создать — не говорят.
Что ж, будем ждать вестей.
Японские ученые создали сверхпрочный шелк благодаря пересадке шелкопрядам паучьего гена (новости)
