При взгляде на паутину обычно представляется очень тонкая и легко рвущаяся нить. Однако, если узнать, что этот самый волокно может соперничать по прочности с различными стальными проволоками, это может показаться труднодоказуемым. Ученые смогли понять секрет этой особенности паучьего шелка, которая делает его одновременно прочным и эластичным.
Прочность материала измеряется с помощью предела прочности на растяжение, который простыми словами показывает, насколько сильно объект может растянуться, прежде чем порваться. Этот показатель, известный как предел прочности на растяжение, отражает силу растяжения, которую можно приложить к объекту до его разрушения, и измеряется в Паскалях (MPa), что соответствует силе в 1 Ньютон на квадратный метр.
Предел прочности на растяжение паучьего шелка составляет около 1200 мегапаскалей (MPa). При сравнении с обычным конструкционным стальным сплавом, который имеет прочность около 400 MPa, видно, что паутина способна выдерживать значительно большее давление, чем многие виды стали при растяжении. Тем не менее, нельзя сравнивать его со всеми видами стали; некоторые высокопрочные сплавы достигают 760 MPa, а специально изготовленные стальные проволоки могут превышать 2200 MPa. Поэтому более корректно утверждать, что паучий шелк является одним из самых прочных природных материалов по отношению к своему весу.
Особенность шелка заключается не только в его прочности, но и в гораздо большей эластичности по сравнению со сталью. Прежде чем порваться, паучий шелк может растянуться почти вдвое от своей первоначальной длины. Это означает, что нить не рвется мгновенно при растяжении, а может значительно растянуться, выдерживая при этом значительное напряжение.
Но возникает вопрос, как такая тонкая нить достигает такой прочности? В рамках нового исследования ученые пытались ответить на этот вопрос, изучая атомную структуру паучьего волокна. Исследователи из Королевского колледжа Лондона и Университета Сан-Диего изучали строение волокон на микроскопическом уровне.
По мнению ученых, паучье волокно состоит преимущественно из белков, которые представляют собой длинные цепочки аминокислот. Некоторые специфические аминокислоты соединяются друг с другом подобно маленьким «клеевым точкам». Эти соединения, которые образуются и разрушаются снова и снова, помогают собрать белок в единую структуру. Именно эта организация придает шелку такую структуру, которая позволяет ему выдерживать вес при растяжении.
Ученые отмечают, что это взаимное притяжение сохраняется и в процессе формирования волокна, постепенно создавая чрезвычайно сложную наноструктуру. Эта структура и обеспечивает паучье шелку его исключительную прочность и гибкость.
Когда паук плетет сеть, шелк изначально не представляет собой твердую нить. Белковые вещества, формирующие волокна, находятся в железе паучьной железы в виде густой жидкости, которую называют «шелковый доп». Когда паук выпускает эту жидкость из своего тела и начинает ткать сеть, этот материал постепенно превращается в твердое и очень прочное волокно. Долгое время было известно, что белки образуют небольшие жидкие скопления до образования шелка, но полная картина того, как эти скопления упорядочиваются и превращаются в прочное волокно, была неясна. Новое исследование помогло понять этот процесс на атомарном уровне.
Паучье волокно считается одним из самых уникальных материалов в природе и имеет огромное значение для паука, поскольку он использует его для создания сети, поддержки своего тела и перемещения. Его свойства часто сравнивают с такими прочными материалами, как сталь и кевлар. Особенно впечатляет его прочность относительно веса, а также его ударная вязкость. Именно поэтому ученые десятилетиями пытаются создать искусственное волокно, подобное паучьему шелку.
Сегодня ученые стремятся не просто имитировать паутину. Их цель — понять, как природа создает такие прочные и долговечные материалы. Это может помочь в будущем создавать легкую, но прочную защитную одежду, легкие и крепкие части самолетов, биоразлагаемые медицинские имплантаты и волокна для мягкой робототехники.
Главная особенность паутины не в том, что она прочнее любой стали, а в том, что она чрезвычайно прочна и эластична при очень малом весе.
