Чому павутинний шовк міцніший за сталь, незважаючи на те, що він дуже крихкий?

Павутинний шовк здавна відомий як найнеймовірніше міцний природний матеріал. Існують навіть види павуків, які виробляють шовк у п'ять разів міцніший за сталь, як-от коричневий павук-реклуза. Але також слід замислитися, чому павутинний шовк, який виглядає таким крихким, є таким неймовірно міцним. Це також питання, яке спантеличує вчених , і вони лише нещодавно знайшли на нього відповідь.

Павутинний шовк дуже міцний, навіть міцніший за сталевий дріт.

Павутинний шовк має унікальну структуру.

Павутинний шовк – це білкове волокно, яке виробляють і прядуть павуки. Вони використовують його для створення павутиння, щоб ловити здобич або захищати свої яйця та павученят. Міцна структура цих шовкових волокон дозволяє павукам ловити здобич, яка в багато разів перевищує їхній розмір.

Нещодавно дослідники з Коледжу Вільяма та Мері (США) використали атомно-силову мікроскопію для спостереження за мікроструктурою шовкових волокон, які створюють коричневі павуки-відлюдники для захисту своїх яєць та лову здобичі. Вони виявили, що кожна нитка павутинного шовку, тонша за людську волосину, насправді складається з тисяч різних нановолокон, діаметром лише 20 нм та довжиною близько 1 мкм.

Ці нановолокна можуть здаватися недовгими, але вони можуть розтягуватися більш ніж у 50 разів від свого початкового розміру. Така структура робить павутинний шовк дуже міцним і міцним, його міцність і довговічність до 5 разів перевищують сталевий пруток такого ж розміру.

Павутинний шовк може розтягуватися до 50 разів від свого початкового розміру.

Раніше вчені всього світу стверджували, що павутинний шовк виготовлений з нановолокон, але вагомих доказів цьому не було, доки це відкриття не було опубліковано в науковому журналі ACS Macro Letters (США).

Це тому, що шовк коричневого павука-відлюдника складається з нановолокон, розташованих у вигляді плоского масиву, а не циліндрично, як у більшості інших павуків. Це полегшує вченим спостереження за ними за допомогою атомно-силової мікроскопії.

Це доповнює дослідження, проведене командою у 2017 році, яке демонструє, як коричневі павуки-відлюдники зміцнюють свій шовк за допомогою спеціальної техніки петлі. Подібно до крихітної швейної машинки, коричневі павуки-відлюдники сплітають близько 20 нанониток на кожен міліметр шовку, який вони прядуть, зміцнюючи нитку, щоб вона не порвалася.

Одна нитка павутинного шовку «приноситься в жертву» для підтримки загальної структури.

Експерти з молекулярної механіки дослідили павутиння різних видів павуків, зокрема європейського садового павука Araneus diadematus та павука-павука Nephila clavipes, який плете павутину. Вивчаючи шовк на молекулярному рівні, вони виявили, що можуть пояснити міцність павутин.

Доктор Бюлер пояснює, що окремі шовкові волокна можна «принести в жертву», щоб зберегти загальну структуру. «Коли шовкове волокно розтягують, його молекулярна структура розтягується зі збільшенням сили, розтягуючи волокно», – каже він.

Павутинний шовк рветься лише тоді, коли він хоче зберегти свою загальну структуру.

Ця зміна відбувається у чотири етапи: спочатку розтягується вся нитка; потім настає фаза релаксації, під час якої білки «розгортаються». По-третє, нитка переходить у фазу жорсткості, яка поглинає найбільшу силу. Останній етап перед розривом нитки Бюлер порівнює з відривом шматка стрічки; для розриву нитки також потрібна велика сила, оскільки білки утримуються разом липкими водневими зв'язками.

«Міцність павутини зумовлена не лише міцністю шовкової нитки, але й тим, як змінюються її механічні властивості під час розтягування», – сказав доктор Бюлер.

Туйєт Ань (Джерело: Синтез)

Корисний
Емоція
Креатив
Унікальний
Гнів