Загадка прочности паутины разгадана
28 июнь, 2013 - 16:35Леонід БарашУченые из ASU празднуют свой недавний успех на пути к пониманию того, что делает паутину, – легчайшую из легких – по крайней мере, в пять раз прочнее фортепьянной струны.
Они нашли способ получить большой набор характеристик эластичности волокон нескольких неповрежденных паутин, используя сложную, но бесконтактную технику рассеяния лазерного луча.
«Паутина обладает уникальной комбинацией механической прочности и эластичности, которые делают ее наиболее прочным материалом из известных нам, - сказал проф. Джеффри Йарджер (JefferyYarger), возглавляющий исследование. – Эта работа дает наиболее полное понимание основы механических свойств паутины».
Паутина является особым биологическим полимером, относящимся к коллагенам (вещества кожи и скелета), но намного более сложным по своей структуре. Команда химиков из ASU изучает ее структуру в попытке создать материалы, пригодные и для бронежилетов, и для искусственных сухожилий.
Массив эластичных и механических свойств паутины, полученный командой из ASU, является первым такого рода и значительно улучшит будущее моделирование, преследующее цель понимания взаимосвязи механических свойств и молекулярной структуры нитей для создания паутины.
«Полученные данные могли бы помочь обеспечить основу для структурного конструирования большого набора биоподобных материалов для точного конструирования синтетических волокон в целях создания более прочных и эластичных материалов», - объяснил проф. Йарджер.
Спектроскоп Мандельштама—Бриллюэна использовал лазерный луч крайне низкой мощности, менее чем 3,5 мВт, что значительно меньше, чем у средней лазерной указки. Регистрация того, что происходит с лазерным лучом, когда он рассеивается паутиной, позволила исследователям получить пространственную карту эластичности и жесткости каждой из исследованных паутин без их разрушения. Эти неинвазивные измерения показали вариации между отдельными волокнами, соединениями и точками склеивания.
Были изучены четыре различных типа паутин. Они охватывали Nephila clavipes (на рисунке), A. aurantia, L. Hesperus (западная черная вдова) и P. viridans, зеленый паук-рысь, единственный из включенных, который не плетет паутину для ловли добычи, но эластические свойства его волокон подобны остальным трем.
Группа также исследовала один из наиболее изучаемых аспектов кругоподобного плетения паутины, а именно сверхсокращаемости, уникального свойства паутины. При высокой влажности паутина захватывает воду. В случае паутины N. clavipes поглощенная вода приводит к сокращению свободной паутины вплоть до 50% при влажности 100%.
Результаты, полученные группой, согласуются с гипотезой, что свехсокращаемость помогает пауку выполнять подгонку свойств паутины во время плетения. Такой тип поведения – регулирование механических свойств простым изменением содержания воды – очень интересен с точки зрения перспективных механических структур.
Самка Nephilaclavipes на своей паутине. Паутина была изучена с помощью спектроскопии Мандельштама—Бриллюэна, позволившей недеструктивно определить механические свойства