Все мы не устаем поражаться изобретательности природы, создавшей
массу удивительных существ, веществ и явлений. Одно из первых мест в
этом длинном списке занимает, без сомнения, паутинное волокно. Оно
практически по всем параметрам превосходит любое искусственное,
выдерживает бóльшую нагрузку на растяжение, чем стальная проволока того
же сечения, оно эластичнее каучука, не уступает в гигроскопичности
шерстяной нити того же диаметра, не становится хрупким при температурах
ниже нуля, не "перекручивается" и не создает сколько-нибудь заметного
противодействия, если подвешенный на ней предмет неограниченно вращать в
одну и ту же сторону. Понятно, что такое обилие ценных, можно сказать,
феноменальных свойств давно привлекает к паутине внимание конструкторов и
материаловедов. Теперь немецким исследователям удалось и вовсе
невероятное: ученые Института физики микроструктур Общества имени Макса
Планка в Галле внедрили в структуру паутинного белка атомы нескольких
металлов и этим заметно улучшили его механические свойства, значительно
повысив как тягучесть волокна, так и предел прочности при растяжении.
Счастливый случай
Bildunterschrift: Großansicht des Bildes mit der Bildunterschrift: Паутина удивляет не только детей, но и взрослых исследователейТем,
что химик Мато Кнез (Mato Knez) вообще взялся за изучение паутины, он
обязан случаю. Ученый подыскивал подходящий материал для своих опытов, и
перед самым его носом в институтском дворе паук начал плести свою
ловчую сеть. Паутинное волокно оказалось как нельзя более кстати для
проводимых исследователем экспериментов: он как раз испытывал технологию
нанесения пленочных покрытий толщиной в один атомный слой на новые
материалы. Применительно к неорганическим материалам эта технология (ALD
– Atomic Layer Deposition) известна уже давно и широко используется,
например, в микроэлектронике или как один из методов защиты от коррозии.
В 2006 году Мато Кнезу впервые удалось напылить атомный слой металла на
органическую подложку. Технология, получившая название MPI (Multiple
Pulsed vapor phase Infiltration), предусматривала попеременное
воздействие на материал водяного пара и газа, состоящего из ионов
металла и остатков органических молекул. Теперь учёный снова несколько
модифицировал свой метод. "Обычно бывает достаточно долей секунды, мы же
увеличили время воздействия до 40 секунд, - поясняет Мато Кнез. - Это и
позволило газу диффундировать внутрь паутинного волокна".
Металлизированные белки
Bildunterschrift: Großansicht des Bildes mit der Bildunterschrift: В природе нет ничего прочнее паутины. Это знают даже далекие от науки создатели фильма Spider-Man В
обычном паутинном волокне молекулы белка связаны между собой атомами
водорода. В паутинном волокне, подвергшемся обработке по методу Мато
Кнеза, водородные связи замещены атомами металла. Экспериментируя с
тремя металлами - титаном, алюминием и цинком, - исследователям из Галле
удалось увеличить прочность волокна на разрыв в 3-4 раза. Впрочем, при
этом растет не только прочность: так, металлизированное паутинное
волокно вдвое эластичнее исходного. Растяжимость природной паутины
обеспечивают белки, молекулы которых формой отдаленно напоминают
спиральную пружину. Инфильтрация атомов металла в паутинное волокно
приводит к изменению пространственной структуры - так называемой
конформации - этих белков, то есть, проще говоря, к увеличению
количества витков в молекуле. Рост эластичности в сочетании с ростом
прочности означает рост вязкости, то есть способности необратимо
поглощать энергию при пластической деформации. Для стали этот показатель
составляет около 6 MДж/м³ (миллионов джоулей на кубический метр), для
природной паутины - 141 MДж/м³, а для металлизированной паутины - 1493
MДж/м³. "То есть примерно в 10 раз больше, - комментирует профессор
Ульрих Гёзеле (Ulrich Gösele), научный руководитель Мато Кнеза. - Самое
удивительное заключается именно в этом одновременном росте прочности и
эластичности. Обычно ничего подобного наблюдать не приходится".
Радужные перспективы
Казалось бы, перед модифицированной паутиной с ее поистине
уникальными техническими характеристиками открывается блестящее будущее.
Однако есть тут одна загвоздка: проблема искусственного синтеза
паутинного волокна до сих пор не решена, а уж о массовом промышленном
производстве этого материала и вовсе говорить не приходится. Даже для
своих экспериментов учёным из Галле приходилось собирать паутину, рыская
по соседним скверам и паркам. Поэтому профессор Гёзеле возлагает свои
главные надежды на иные органические материалы. "Сейчас мы
экспериментально проверяем, можно ли тем же методом улучшить
механические характеристики коллагена и других биоматериалов, -
рассказывает он. - Опыты еще не завершены, но пока все предвещает
положительный результат. Кроме того, можно попытаться ту же технологию
применить и к различным синтетическим волокнам, а также, скажем, к
натуральному шелку - тому, что используется в производстве одежды,
парашютов и так далее".
Пусть до промышленного применения паутинного волокна дело еще далеко,
но уникальные свойства этого материала привели к созданию не менее
уникальной технологии, вполне пригодной для промышленного применения уже
сегодня.
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман
