Удивительные свойства паутины

Мы уже давно знаем, что паутина является по-настоящему удивительным материалом, однако ученые по-прежнему продолжают находить еще более потрясающие свойства и особенности у этих тончайших шелковых нитей. Например, совсем недавно международная группа исследователей обнаружила, что паутина разделяет полезные свойства с полупроводниками. Правда, вместо того чтобы работать с электронами, ее можно использовать для манипуляции звука и тепла.

Как описывается в статье журнала Nature Materials, паутина может блокировать определенные квазичастицы звука (называются «фононы») разной степени частоты аналогично тому, как полупроводники могут блокировать определенные электроны.

«Есть определенный диапазон частот, которые можно блокировать. Если передавать звук определенной частоты, то он не пройдет через этот материал», — говорит соавтор исследования Эдвин Томас из Университета Райса.

Этот эффект носит название «ширина запрещенной зоны» и позволяет ученым эффективно «настроить» материалы с таким свойством для самых различных целей. Фотонные кристаллы, такие как опал, например, образующиеся в природе, проделывают тот же самый трюк, но с волнами света. Конечно, фотонные кристаллы могут воздействовать аналогичным образом и на звук, однако это первый случай, когда такая особенность была обнаружена у паутины.

Паутина может быть прочнее стали и способна растягиваться, как резина. Вот поэтому многие ученые пытаются найти способ эффективного заимствования ее свойств в таких материалах, как кевлар и нейлон. Помимо этого, паутина обладает свойством липкости, натуральными антимикробными свойствами, она гипоаллергенная и биоразлагаемая.

Всем этим удивительным свойствам этот материал обязан своей кристаллической структуре. Внутри каждой нити находятся еще более тонкие нити, которые усиливают ее прочность и позволяют растягиваться. 70 процентов материала состоит из глицина, однако в состав также входят аланин и серин. Один из этих компонентов обладает более упорядоченной структурой, а другой — менее упорядоченной. Эта разница и делает паутину такой прочной.


Микроструктура паутины способна блокировать фононы

Благодаря вибрациям нитей, пауки могут чувствовать, когда паутина повреждается или в нее попадает очередная жертва. Удивительно, но разница частот этих вибраций указывает паукам на то, что именно происходит с их паутиной.

Когда Томас и его команда исследовали микроструктуру паутины, ученые обнаружили, что растягивание или, наоборот, ослабление натяжения более мягких цепочек, соединяющихся с более прочными цепочками кристаллов протеинов в нити, также изменяет и их акустические свойства. Ученые пришли к выводу, что контролировать ширину запрещенной зоны можно простым натяжением нити. Кроме того, ученые выяснили, что паутину можно наделить и тепловыми свойствами.

«Фононные кристаллы дают вам возможность управления звуковыми волнами. Если эти волны будут достаточно короткими и определенной частоты, то можно адаптировать материал на тепловые свойства. Скажем, если мы можем заставить тепло двигаться в том направлении, а не в этом, или же полностью блокировать поток, то фактически мы превращаем материал в теплоизолятор, коим он не был раньше», — комментирует Томас.

Если ученые смогут воспроизвести кристаллическую микроструктуру, которая делает паутину такой особенной, то это откроет множество возможностей в производстве новых синтетических материалов, например, волноводов, или материалов, которые будут останавливать звук или обеспечивать изоляцию.