Почему паутина прочнее стали, несмотря на свою хрупкость?

Паучий шёлк давно известен как самый невероятно прочный природный материал. Существуют даже виды пауков, которые производят шёлк, в пять раз прочнее стали, например, коричневый реклюза. Но стоит также задаться вопросом, почему паучий шёлк выглядит таким хрупким, но обладает такой невероятной прочностью. Этот вопрос также озадачивал учёных , и лишь недавно они нашли ответ.

Паутина очень прочная, даже прочнее стальной проволоки.

Паутина имеет уникальную структуру

Паучий шёлк — это белковое волокно, которое производят и прядут пауки. Они используют его для создания сетей, чтобы ловить добычу, а также для защиты своих яиц и детёнышей. Прочная структура этих шёлковых волокон позволяет паукам ловить добычу, во много раз превышающую их размер.

Недавно исследователи из Школы прикладных наук Колледжа Уильяма и Мэри использовали атомно-силовую микроскопию для изучения микроскопической структуры шёлковых нитей, которые коричневые пауки-отшельники создают для защиты своих яиц и ловли добычи. Они обнаружили, что каждая нить паучьего шёлка, тоньше человеческого волоса, на самом деле состоит из тысяч различных нановолокон диаметром всего 20 нм и длиной около 1 мкм.

Эти нановолокна могут показаться короткими, но они могут растягиваться более чем в 50 раз от своего первоначального размера. Такая структура делает паучий шёлк очень прочным и долговечным: его прочность и износостойкость до 5 раз превышают прочность стального прута того же размера.

Паучья нить может растягиваться до 50 раз от своего первоначального размера.

Ранее ученые всего мира утверждали, что паучий шелк состоит из нановолокон, однако убедительных доказательств этому не было, пока это открытие не было опубликовано в научном журнале ACS Macro Letters (США).

Это связано с тем, что шёлк коричневого паука-отшельника состоит из нановолокон, расположенных плоскими листами, а не цилиндрами, как у большинства других пауков. Это облегчает учёным наблюдение за ними с помощью атомно-силовой микроскопии.

Это открытие дополняет исследование, проведённое группой в 2017 году, которое показало, как бурые пауки-отшельники укрепляют свою паутину, используя особую технику плетения. Подобно крошечной швейной машинке, бурые пауки-отшельники ткут около 20 нановолокон на каждый миллиметр шёлка, что делает его прочнее и не позволяет ему рваться.

Для сохранения общей структуры «приносится в жертву» нить паутины.

Специалисты по молекулярной механике исследовали паутину разных видов пауков, включая европейского садового паука Araneus diadematus и паука-ткача Nephila clavipes. Изучая шёлк на молекулярном уровне, они обнаружили, что могут объяснить прочность паутины.

Доктор Бюлер объясняет, что отдельные шёлковые волокна могут быть «пожертвованы» ради сохранения общей структуры. «Когда шёлковое волокно растягивается, его молекулярная структура растягивается по мере увеличения силы, растягивая само волокно», — говорит он.

Паучья нить рвется только тогда, когда она хочет сохранить свою общую структуру.

Это изменение происходит в четыре этапа: на первом этапе весь филамент растягивается; затем следует этап релаксации, на котором белки «разворачиваются». На третьем этапе филамент переходит в фазу жесткости, которая поглощает наибольшее количество силы. Заключительный этап перед разрывом филамента Бюлер сравнивает с отрыванием куска клейкой ленты; для разрыва филамента также требуется большое усилие, поскольку белки удерживаются вместе липкими водородными связями.

«Прочность паутины обусловлена не только прочностью шелковой нити, но и тем, как меняются ее механические свойства при натяжении», — сказал доктор Бюлер.

Tuyet Anh (Источник: Синтез)

Полезный
Эмоция
Творческий
Уникальный
Гнев