Почему паутина прочнее стали, несмотря на свою хрупкость?

Паучий шелк уже давно известен как самый невероятно прочный натуральный материал. Существуют даже виды пауков, которые производят шелк в пять раз прочнее стали, например, коричневый паук Loxosceles reclusa. Но нам также следует задаться вопросом, почему паутина выглядит такой хрупкой, но при этом обладает такой большой прочностью. Этот вопрос также беспокоит ученых, и недавно они нашли ответ.

Паутина очень прочная, даже прочнее стальной проволоки.

Паучий шелк имеет уникальную структуру

Паучий шелк — это белковое волокно, которое производят и прядут пауки. Они используют шелк для плетения паутины, чтобы ловить добычу или защищать свои яйца и детенышей пауков. Прочная структура этих шелковых нитей позволяет паукам ловить добычу, во много раз превышающую их размер.

Недавно исследователи факультета прикладных наук Колледжа Уильяма и Мэри (США) с помощью атомно-силовой микроскопии изучили микроструктуру шелковых волокон, которые коричневые пауки-отшельники создают для защиты яиц и ловли добычи. Они обнаружили, что каждая нить паутины, которая тоньше человеческого волоса, на самом деле состоит из тысяч различных нановолокон диаметром всего 20 нм и длиной около 1 мкм.

Эти нановолокна могут показаться не такими уж длинными, но они могут растягиваться более чем в 50 раз от своего первоначального размера. Именно эта структура делает паучий шелк очень прочным и долговечным, его прочность и долговечность в 5 раз выше, чем у стального стержня 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).

Причина в том, что шелк коричневого паука-отшельника состоит из нановолокон, расположенных плоско, а не цилиндрически, как у большинства других пауков. Это облегчает ученым наблюдение за ними с помощью атомно-силовых микроскопов.

Этот результат дополняет исследование, проведенное группой в 2017 году, которое показало, как коричневые пауки-отшельники укрепляют свои шелковые нити с помощью особой техники плетения петель. Коричневый паук-отшельник, напоминающий крошечную швейную машинку, плетет около 20 нанонитей на миллиметр шелка, чтобы укрепить нить и не дать ей порваться.

Нить паучьего шелка «приносится в жертву» ради сохранения общей структуры.

Несколько экспертов по молекулярной механике исследовали паутину различных видов пауков, включая европейского садового паука Araneus diadematus и паука-плетенца Nephila clavipes. Изучая шелк на молекулярном уровне, они обнаружили, что могут объяснить прочность паутины.

Доктор Бюлер объясняет, что отдельные нити могут быть «пожертвованы» ради сохранения общей структуры. «Когда тянут шелковую нить, ее молекулярная структура растягивается по мере увеличения силы, растягивая нить», - сказал он.

Паучья нить рвется только тогда, когда ей необходимо сохранить свою общую структуру.

Это изменение происходит в четыре этапа: на первом этапе вся шелковая нить растягивается; Затем следует фаза релаксации, когда белки «разворачиваются». На третьем этапе шелк проходит жесткую фазу, которая поглощает наибольшую ударную силу. Заключительную стадию перед разрывом шелковой нити Бюлер сравнивает с отрыванием куска клейкой ленты: для разрыва нити также требуется большое усилие, поскольку белки удерживаются вместе липкими водородными связями.

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

Тует Ань (Источник: Синтез)

Полезный
Эмоция
Творческий
Уникальный
Гнев