Что прочнее стальная нить или паутина: Что прочнее — сталь или паутина?

Что прочнее – паутина или сталь?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]

Что прочнее – паутина или сталь?. Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]

ВикиЧтение

Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина]
Кондрашов Анатолий Павлович

Содержание

Что прочнее – паутина или сталь?

Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого же диаметра, то они выдержат примерно одинаковый вес. Но паутинный шелк в 6 раз легче, а значит, в 6 раз прочнее.

Из чего сделана паутина?

Из чего сделана паутина?
Для большинства из нас самое завораживающие в пауках — это их паутина. Но в действительности паук — очень удивительное создание и во многих других отношениях.Пауки живут во всех климатических зонах в зависимости от вида, как в воздухе, так и на

БОЕВАЯ ПАУТИНА

БОЕВАЯ ПАУТИНА
Существует такое понятие, как силовые линии движений. Вы неоднократно встречались с ними, когда перехватывали поудобнее тяжелую коробку, искали точку опоры, чтобы передвинуть тяжелый шкаф, на тренировке методом проб и ошибок подбирали наиболее удобное

Что прочнее – паутина или сталь?

Что прочнее – паутина или сталь?
Нить, из которой пауки плетут основу своей ловчей сети, тоньше человеческого волоса, а ее удельная (то есть пересчитанная на единицу массы) прочность на разрыв выше, чем у стали. Если сравнивать паутинную нить со стальной проволокой такого

«Сталь»

«Сталь»
Под общим названием «Сталь» разрабатывалось несколько опытных и серийных самолетов, основным конструкционным материалом в силовых элементах которых была нержавеющая сталь или же трубы из хромо-молибденовой стали, что было вызвано нехваткой алюминия в стране в

«Сталь-5»

«Сталь-5»
В 1933 г. в ОКБ А.И. Путилова началась разработка пассажирского самолета – «летающего крыла» с двумя двигателями М-34Ф мощностью по 900 л. с. и с двойным вертикальным оперением. Кабина летчиков немного выступала из носка крыла, размах которого составлял 23,0 м, а

Сталь

Сталь
Сталь представляет собой деформируемый или ковкий сплав железа с углеродом и другими элементами. Сталь получается из передельного чугуна путем его переплавки. Во время переплавки из чугуна выгорает часть примесей, так как они окисляются легче, чем железо.Сталь

Леи — загадочная «паутина»

Леи — загадочная «паутина»
Загадочная «паутина» воображаемых прямых линий, которая якобы соединяет наиболее значимые доисторические и средневековые объекты Британии.
Идея о существовании лей возникла более 85 лет назад. Некий Альфред Уоткинс, археолог-любитель,

The Cobweb Паутина

The Cobweb
Паутина
1955 — США (124 мин)? Произв. MGM (Джон Хаусмен)· Реж. ВИНСЕНТ MИННЕЛЛИ? Сцен. Джон Пэкстон по одноименному роману Уильяма Гибсона· Опер. Джордж Фолси (Easlmancolor, Cinemascope)· Муз. Леонард Розенмен· В ролях Ричард Уидмарк (доктор Стюарт Макайвер), Лорен Бэколл (Мег Фаверсен

«Сталь»

«Сталь»
«Сталь»,
ежемесячный научно-технический и производственный журнал, орган министерства чёрной металлургии СССР и Центрального правления Научно-технического общества чёрной металлургии. Выходит с 1941 в Москве. Освещает достижения советской и зарубежной науки в

ПАУТИНА

ПАУТИНА
На рубеже 90-х, когда клубный Питер активно осваивал мировой музыкальный фронтир, на практике испытывая новые художественные тенденции и приемы, наверное, одни лишь неисправимые идеалисты сохраняли верность традициям 70-х и главному символу этой эпохи, старому

Хакеры-2. Паутина

Хакеры-2. Паутина
Год: 2011
Автор: Александр Чубарьян
Жанр: Киберпанк
Издательство: АСТ, Этногенез
ISBN: 978-5-904454-52-4
Кол-во страниц: 288
Описание: Пути-дороги двух бывших друзей давно разошлись. Лекс сколотил небольшую команду, которая занимается различного рода компьютерными

Веревка из паутины

Дмитрий Багров
«Квант» №4, 2010

Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?

Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории). Каждый из типов паутины производится специальными железами.

Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей (рис. 1): каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность — именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.

Представим себе летящее насекомое, которое ударяется в натянутую паутину. При этом нить паутины должна растянуться так, чтобы кинетическая энергия летящего насекомого превратилась в тепло. Если бы паутина запасала полученную энергию в виде энергии упругой деформации, то насекомое отскочило бы от паутины, как от батута. Важное свойство паутины состоит в том, что она выделяет очень большое количество теплоты при быстром растяжении и последующем сокращении: энергия, выделяемая в единице объема, составляет более 150 МДж/м³ (сталь выделяет — 6 МДж/м³). Это позволяет паутине эффективно рассеивать энергию удара и не слишком сильно растягиваться, когда в нее попадает жертва. Паутина или полимеры, обладающие аналогичными свойствами, могли бы стать идеальными материалами для легких бронежилетов.

В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.

Итак, паутина — необычный и очень перспективный материал. Какие же молекулярные механизмы отвечают за ее исключительные свойства?

Мы привыкли к тому, что молекулы — чрезвычайно маленькие объекты. Однако это не всегда так: вокруг нас широко распространены полимеры, которые имеют длинные молекулы, состоящие из одинаковых или похожих друг на друга звеньев. Все знают, что генетическая информация живого организма записана в длинных молекулах ДНК. Все держали в руках полиэтиленовые пакеты, состоящие из длинных переплетенных молекул полиэтилена. Молекулы полимеров могут достигать огромных размеров.

Например, масса одной молекулы ДНК человека порядка 1,9·10¹² а.е.м. (однако это приблизительно в сто миллиардов раз больше, чем масса молекулы воды), длина каждой молекулы составляет несколько сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК человека достигает 10¹¹ км.

Важнейшим классом природных полимеров являются белки, они состоят из звеньев, которые называются аминокислотами. Разные белки выполняют в живых организмах чрезвычайно разные функции: управляют химическими реакциями, используются в качестве строительного материала, для защиты и т. д.

Каркасная нить паутины состоит из двух белков, которые получили названия спидроинов 1 и 2 (от английского spider — паук). Спидроины — это длинные молекулы с массой от 120000 до 720000 а.е.м. У разных пауков аминокислотные последовательности спидроинов могут отличаться друг от друга, но все спидроины имеют общие черты. Если мысленно вытянуть длинную молекулу спидроина в прямую линию и посмотреть на последовательность аминокислот, то окажется, что она состоит из повторяющихся участков, похожих друг на друга (рис. 2). В молекуле чередуются два типа участков: относительно гидрофильные (те, которым энергетически выгодно контактировать с молекулами воды) и относительно гидрофобные (те, которые избегают контакта с водой). На концах каждой молекулы присутствуют два неповторяющихся гидрофильных участка, а гидрофобные участки состоят из множества повторов аминокислоты, называемой аланином.

Длинная молекула (например, белок, ДНК, синтетический полимер) может быть представлена как скомканная запутанная веревка. Растянуть ее не составляет труда, потому что петли внутри молекулы могут расправляться, требуя сравнительно небольшого усилия. Некоторые полимеры (например, резина) могут растягиваться на 500% своей начальной длины. Так что способность паутины (материала, состоящего из длинных молекул) деформироваться больше, чем металлы, не вызывает удивления.

Откуда же берется прочность паутины?

Чтобы понять это, важно проследить за процессом формирования нити. Внутри железы паука спидроины накапливаются в виде концентрированного раствора. Когда происходит формирование нити, этот раствор выходит из железы по узкому каналу, это способствует вытягиванию молекул и ориентации их вдоль направления вытяжки, а соответствующие химические изменения вызывают слипание молекул. Фрагменты молекул, состоящие из аланинов, соединяются вместе и образуют упорядоченную структуру, похожую на кристалл (рис. 3). Внутри такой структуры фрагменты уложены параллельно друг другу и сцеплены между собой водородными связями. Именно эти участки, сцепленные между собой, и обеспечивают прочность волокна. Типичный размер таких плотно упакованных участков молекул составляет несколько нанометров. Расположенные вокруг них гидрофильные участки оказываются неупорядоченно свернутыми, похожими на скомканные веревки, они могут расправляться и этим обеспечивать растяжение паутины.

Многие композиционные материалы, например армированные пластмассы, устроены по тому же принципу, что и каркасная нить: в относительно мягком и подвижном матриксе, который дает возможность деформации, находятся малые по размерам твердые области, которые делают материал прочным. Хотя материаловеды давно работают с подобными системами, созданные человеком композиты только начинают приближаться к паутине по своим свойствам.

Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.

Отметим также интересную особенность формирования нити. Паук вытягивает паутину под действием собственного веса, но полученная паутина (диаметр нити приблизительно 1–10 мкм) обычно позволяет выдержать массу, в шесть раз большую массы самого паука. Если же увеличить вес паука, вращая его в центрифуге, он начинает выделять более толстую и более прочную, но менее жесткую паутину.

Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия. Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.

Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.

Биологическая сталь

Группа японских ученых под руководством профессора Токийского университета Синсу Масао Нагакаки открыла способ получения из паутины особого волокна, из которого можно изготовить ткани, пригодные как для пошива легкой верхней одежды, так и для создания сверхпрочного бронежилета.

Исследователи встроили гены, ответственные за производство паутины в организме паука, в хромосому тутового шелкопряда. После этой манипуляции шелкопряды стали вырабатывать волокно, объединяющее в себе свойства шелка и паутины. На первый взгляд материал ничем не отличается от натурально шелка, однако он намного прочнее и долговечнее. В принципе по своему аминокислотному составу паутина близка к шелку. А вот структура у этих материалов различная, чем и объясняются неповторимые свойства паутины.

«По своим характеристикам паутина является уникальным материалом, — рассказал РБК daily доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, директор ГосНИИгенетика Владимир Дебабов. — Она в пять раз прочнее и в семь раз легче стали. Паутину можно растянуть на 15%, и она снова примет исходную форму. Такими свойствами не может похвастаться ни один искусственный полимер».

Испытания механических свойств паутины с помощью специального аппарата Instron, задающего темп деформации и измеряющего нагрузку, показали, что она имеет высокую растяжимость и выдерживает нагрузки до 450 МПа, как и стеклопластик. Эти феноменальные свойства паутины объясняются ее повышенной молекулярной подвижностью из-за входящих в ее состав молекул воды, доля которых составляет 60—70% волокна. Без водной составляющей она стала бы хрупкой и ломкой. Паутина не разрывается при ударе с энергией до 10 ГДж/м³ (энергия пули), что делает ее самым крепким материалом из известных человечеству. Например, если создать паутинную нить диаметром 0,7—0,8 мм, то сетка из таких канатиков сможет остановить летящий самолет.

Однако в естественных условиях получить нить такой толщины невозможно. Эти насекомые в отличие от шелкопрядов не могут «работать в коллективе» (недаром существует выражение «пауки в банке»), и если два паука окажутся на одной территории, они просто съедят друг друга. А в искусственных условиях создать аналог паутины еще сложнее. Дело в том, что паутина состоит из двух белков, обладающих очень крупными размерами (для сравнения: белок паутины больше молекулы белка человеческого организма в семь раз), поэтому получить его с помощью генной инженерии непросто. Но ученые все-таки смогли с помощью генной модификации создать аналог паутины.

Сотрудники канадской компании Nexia Biotechnologies выяснили, что секреторные железы пауков, вырабатывающие белки паутины, сходны по своему строению с секреторными железами коз. После чего исследователи внедрили в ДНК козы ген паука-кругопряда, отвечающий за кодирование белков паутины. Через некоторое время в молоке козы стали появляться белки паутины. Созданный из синтезированных белков материал, названный учеными «биосталь», взят на заметку Пентагоном. «Стальная» паутина будет использоваться в военной промышленности для модификации танков и бронежилетов. «Действительно, пять лет назад в Квебеке смогли получить белок паутины из модифицированного козьего молока. Однако этот концентрат выделяется в очень малых количествах и стоит примерно 1000 долл. за грамм», — добавляет Владимир Дебабов.

Российские же ученые работают над созданием шелка паутины, используя микроорганизмы — дрожжи. «Исследователи из ГосНИИгенетика изолировали гены паука и ввели их в клетки особых дрожжей, растущих на метаноле. И в этих клетках происходит процесс синтеза белков паутины, из которых в последствии создается нить», — пояснил РБК daily доктор биологических наук, заместитель директора ГосНИИгенетика Александр Яненко.

Но получить белок паутины — это только полдела. Оказывается, свойства этого материала зависят не только от особенной природы паутины, но и от способа плетения нитей. Китайские ученые выяснили, что если из шелкопряда вытягивать нить, создавая сильное натяжение, то полученное волокно будет в два раза прочнее обычного. Паук же плетет свои сети совершенно особым способом, и пока никто не может повторить это искусство.

«Любые искусственные аналоги паутины, существующие на сегодняшний день, уступают природному эталону», — резюмирует Владимир Дебабов. Несмотря на это, ученые не отчаиваются и предпринимают постоянные попытки создать «идеальную» паутину. Так, международная группа исследователей из Еврейского университета в Иерусалиме, специалистов Мюнхенского университета и Оксфорда вслед за канадцами использовала методы генной инженерии для создания волокон паутины, почти идентичных натуральным. Ученые выделили гены садового паука, кодирующие белки канатного шелка. Сформированные из этих белков волокна оказались в шесть раз прочнее нейлона и не уступают ему в эластичности. Возможность создания искусственной паутины в промышленных масштабах откроет для ученых новые возможности. Использование прочнейших и тончайших волокон позволит создать сверхлегкие бронежилеты, микропроводники, страховочные канаты, оптические волокна и даже «паутинную» зубную нить, идею которой уже запатентовали в Израиле. Но приоритетным направлением применения паутины станет, конечно, медицина.

«Паутину можно трансплантировать в места переломов или других серьезных повреждений и использовать как каркас, на который будет наращиваться новая ткань, — пояснил Александр Яненко. — Так как ткань паутины совместима с тканями человеческого организма, она не будет вызывать отторжение». А высокая экологичность этого биоматериала, который легко разлагается микроорганизмами, делает проекты по созданию паутины в промышленных масштабах одними из наиболее перспективных направлений современной биоинженерии.

rbcdaily.ru

Шелк паука — чудо природы, но он не прочнее стали

Мишель Ойен, The Conversation

Ведь не так сильно. Кредит: Доминик Клир

Вы наверняка слышали, что шелк паука прочнее стали. Мы все хотим верить, что в природе есть удивительные материалы, которые намного превосходят созданные человеком. Но проблема с заявлениями, которые звучат слишком хорошо, чтобы быть правдой, заключается в том, что они обычно таковыми и являются.

Шелк паука не прочнее стали. Но это не должно мешать нам изучать его или думать о нем как о чудесном материале.

В лучшем случае шелк паука может сравниться со сталью, когда речь идет о прочности на растяжение, которая является самым большим напряжением, которое материал может выдержать, прежде чем сломается. Для одной разновидности шелка паука значение прочности на разрыв чуть выше 1 ГПа, единицы измерения силы на единицу площади. Это соответствует среднему значению для стали, где прочность колеблется от 0,2 ГПа до почти 2 ГПа.

Прочность на растяжение — это только одно из важнейших свойств. Жесткость шелка, то есть его способность упруго деформироваться при приложении силы, во много раз меньше, чем у стали. Там, где шелк паука, кажется, превосходит сталь с большим отрывом, так это его плотность, которая почти в шесть раз меньше. Таким образом, в пересчете на вес шелк начинает выглядеть более интересно, а его отношение прочности к плотности превосходит таковое у стали.

Во многих случаях требуется такое сочетание прочности и низкой плотности. Новый самолет 787 Dreamliner, например, в основном изготовлен из композитных материалов, где множество различных материалов комбинируются для получения правильного сочетания свойств.

Еще одна причина, по которой шелк пауков с энтузиазмом изучается, заключается в нашей заинтересованности в подражании природе посредством «биомимикрии». Ключевое различие между природными материалами и искусственными заключается не столько в физических свойствах. Дело в том, как они сделаны.

Распутывание паутины

Шелк паука — это белок, а белки образуются внутри живых клеток. Процесс, который происходит при температуре тела, в отличие от производства стали, происходящего в печи. Магия паучьего шелка связана с передачей информации через ДНК. Человеческая инженерия способна использовать больше энергии для решения проблем. Природа делает это за счет использования более качественной информации.

Кроме того, белки состоят из распространенных элементов, таких как углерод, водород, кислород и азот, и единственным побочным продуктом реакции, в результате которой образуются белки, является вода. Таким образом, натуральные материалы, такие как шелк паука, могут претендовать на звание «экологически чистых», потому что они используют меньше энергии и обильные элементы, что делает обработку превосходящей большинство инженерных материалов.

Шелк паука прочнее стали в пересчете на вес и при этом очень безопасен для окружающей среды. Возможно, это звучит не так лаконично, как «паучий шелк прочнее стали», но это гораздо более драматичная история о том, почему имитация природных материалов является быстро развивающейся областью материаловедения и инженерии.

Нам еще предстоит полностью понять, как делается паутина. Попытка коммерциализации через «коз-пауков», когда генетически модифицированная коза производила молоко, содержащее дополнительный белок, который можно было извлечь и сплести в шелковую нить паука, привела к банкротству. Но остается надежда, что, изучая, как шелк паука обеспечивает свою силу через последовательности генов, присутствующих в ДНК паука, инженеры однажды смогут строить самолеты и другие высокопроизводительные устройства, используя материалы, щадящие планету, богатые информацией и с низким энергопотреблением.

Узнайте больше

Новый природный наноматериал получен в результате секвенирования генома паутинного клеща

Источник:
Разговор

Эта история опубликована с разрешения The Conversation (под Creative Commons-Attribution/Без производных).

Цитата :
Шелк паука — чудо природы, но он не прочнее стали (2013, 7 июня)
получено 20 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2013-06-spider-silk-nature-stronger-steel.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Стальная прочность полулегкого паучьего шелка

Atomic News

Фрэнки Вуд-Блэк

|
30 июля 2018 г.

Шелк паука. Он легче хлопка, но прочнее стали. Тоньше человеческого волоса, но выдерживает нагрузки в сотни раз больше его размера. Крошечные членистоногие могут вплетать его в сложные структуры. Легионы химиков, материаловедов и инженеров изучают и пытаются имитировать шелковые нити, которые пауки создают, разбирают и воссоздают каждый день, чтобы поймать добычу.

Чудо света на протяжении более 300 миллионов лет. Натуральный шелк производится беспозвоночными животными типа членистоногих, также известными как членистоногие. Обычными производителями шелка являются шелкопряды, златоглазки и пауки. Из 35 000 видов пауков в мире только половина плетет паутину, но все они производят сильное липкое вещество, которое продолжает очаровывать сообщество STEM.

Журнал Science недавно опубликовал специальную статью об эволюции геномов пауков, а также о свойствах и использовании паучьего шелка. The Scientist опубликовал историю о трансгенных шелкопрядах, которые прядут «паучий шелк». Компании по производству спортивной одежды, такие как Adidas, The North Face и Patagonia, ищут способы производства обуви и курток с использованием синтетического паучьего шелка. Одна компания, Bolt Threads, недавно разработала галстук из синтетического паучьего шелка. И последняя версия синтетического паучьего шелка — 9.8% воды и экологически чистые.

Почему увлечение паучьим шелком?

Для чего-то, что вы можете не заметить, пока оно не застрянет в ваших волосах, шелк паука привлекает большое внимание.

Одной из причин, по которой шелк паука так очаровывает научный мир, является разнообразие структуры и свойств одной паутины. Вы можете увидеть различия в шелках, просто взглянув на круговую паутину садового паука, радиальную сетку с поперечными волокнами. Вы заметите, что шелк, из которого состоит оправа, отличается от того шелка, который соединен с оправой, теми нитями, которые составляют классические расширяющиеся «спирали», расходящиеся от центра. Существует по крайней мере два отличительных типа: каркасный шелк или жесткий тип и спиральный шелк.

Существует причина разницы в прочности и эластичности. Когда паук начинает строительство, он использует шелк с большой ампулой (или драглайном) в качестве драглайна для себя и шелк с малой ампулой в качестве временных лесов. Шелк с большими ампулами образует спицы и внешнюю опору для паутины, а более липкий и эластичный жгутиковый (флаговый) шелк используется для нитей радиального захвата. Нити удерживаются вместе дисками из грушевидного шелка. Наконец, саблевидный шелк используется для обертывания добычи, а трубчатый шелк создает защитные мешочки для яиц.

Чтобы получить представление о свойствах паучьего шелка, сравните прочность и жесткость прочного шелка с волокнами кевлара. Волокна паучьего шелка имеют рейтинг прочности 1,1 гигапаскаля, что не так сильно, как у кевлара 3,6 гигапаскаля. Но они жестче, чем кевлар. Жесткий паутинный шелк имеет коэффициент прочности 180 мегаджоулей на метр по сравнению с коэффициентом прочности Келвара в 50 мегаджоулей на метр. Спиральный шелк обладает различными свойствами, которыми паук пользуется благодаря своей гибкости и эластичности. Комбинация двух типов создает эффективную и прочную ловушку, позволяющую пауку поймать следующую еду.

Свойства всех этих видов шелка различаются. Прочность на разрыв (нагрузка, которую вещество может выдержать до того, как оно начнет разрушаться) шелка паука колеблется в пределах 0,45–2,0 ГПа. Шелк драглайна составляет около 1,1 ГПа. В зависимости от конкретного сплава он может быть прочнее стали, которая находится в том же диапазоне. Но его все же побеждает кевлар, имеющий предел прочности на разрыв 3,0–3,6 ГПа.

Тем не менее, шелк паука превосходит синтетический арамид, кевлар, по прочности на излом, количеству энергии, необходимой для полного разрушения материала после того, как он начал трескаться. Прочность на излом шелка драглайна составляет около 180 МДж∙м 9 .0078 1/2 по сравнению с 50 МДж∙м ^1/2 Kelvar. В отличие от кевлара или стали, шелк паука очень эластичен. Шелк драглайна может увеличить свою длину на 27%, а флаговый шелк может увеличить свою длину на 270%, что позволяет шелку поглощать удары насекомых, которые бьются в паутине.

Шелк паука также биосовместим с человеком, биоразлагаем и не обладает иммуногенностью и аллергенностью, что вызывает интерес в биомедицинских применениях.

Из чего сделан паутинный шелк?

Шелк паука состоит из белков, называемых спидроинами, которые вырабатываются в особых железах паука. Аминокислоты, пролин, аланин и глицин, являются основными компонентами этих белков. Разные железы производят разные виды шелка; Шелк драглайна, например, вырабатывается в больших ампулозных железах. Шелк драглайна содержит два типа спидроина , которые классифицируются по содержанию пролина. Спидроины МА могут содержать повторяющееся ядро ​​из аминокислотных блоков, повторяющихся до 100 раз. Неповторяющиеся домены с амино- и карбоксильными концами окружают эти ядра.

Последующие исследования показали, что содержание аланина и глицина помогает определить прочность или эластичность. Эти аминокислоты расположены в блоках, где участки аланина образуют кристаллические бета-листы, а участки глицина образуют более аморфную сеть. Следовательно, глицин, по-видимому, играет роль в эластичности шелка, а аланин — в его прочности.

Но, вопреки тому, что вы могли бы подумать, шелк сам по себе не липкий. Разные виды пауков применяют разные методы для достижения клейких свойств шелка. Некоторые пауки взъерошивают или расчесывают шелк, чтобы увеличить площадь поверхности, что, в свою очередь, позволяет притягательным силам Ван-дер-Ваальса удерживать добычу. Это тот же принцип, который позволяет ноге геккона прикрепляться к гладкой поверхности. Другие пауки наносят липкий водный слой на шелк флага. Клей — сложная смесь органических молекул, солей, жирных кислот и гликопротеинов — вырабатывается в агрегатной железе паука.

Новые материалы

Именно эластичность, прочность и прочность шелка делают его привлекательным в качестве потенциального текстиля. Другие свойства, такие как биосовместимость, делают шелк привлекательным для биомедицинских целей, включая использование волокон в качестве каркасных материалов для тканевой инженерии. Шелк паука уже появился на рынке в некоторых косметических и медицинских устройствах. И, с потенциальными обещаниями других применений, работа по синтетическому воссозданию шелка продолжается.

В то время как волокна, произведенные Новым Человеком-Пауком, могут быть продуктом научной фантастики, волокна в молоке, произведенном Веснушками, козой из Университета штата Юта, или модифицированными шелкопрядами, не являются таковыми. Другие ученые работают с микробами и дрожжами для производства необходимых белков. Хотя большая часть работы все еще находится на стадии прототипа, модельер Стелла Маккартни собирается выпустить линию модной одежды из паучьего шелка, которая будет доступна в следующем году. Кто знает, какая сеть будет сплетена следующей?

Youtube ID: 9_4r9WE-M3E

Каждый вечер, как только стемнеет, деревенский паук в этом видео с невероятной скоростью, ловкостью и изобретательностью плетет свою ловушку для добычи. Это чудо, которое я обычно вижу только после того, как вся работа сделана (см. фото). Наконец-то у меня появилась возможность наблюдать, как мастер сферы сшивает шелк ряд за рядом. Посмотреть на себя!

— Наташа Брюс, редактор, Химия

Биологические науки

Биохимия

Материалы

Атомные Новости

Об авторе

Другие статьи об Atomic News

• 07 октября 2022 г.
  Не потейте: как влагоотводящие ткани сохраняют прохладу и сухость

  Если вы достаточно усердно работаете во время занятий спортом или упражнений, вы будете потеть. Будете ли вы чувствовать себя комфортно, делая это, зависит от химии.

• 23 июня 2022 г.
  Проверка уровня гликанов может выявить сепсис до появления симптомов

  Новое исследование на мышах изучает изменения уровня углеводов в крови во время сепсиса, что дает надежду на улучшение диагностики.

• 19 апреля 2022 г.
  Электроды, напечатанные на 3D-принтере, могут удерживать больше заряда в литий-ионных батареях

  Выровненные графитовые наночастицы и тщательно разработанная структура обеспечивают толстый электрод с трехкратной зарядной емкостью по сравнению с обычными конструкциями.

• 04 февраля 2022 г.
  Головоломка: Дикие дикие западные пробирки

  Сделай перерыв, бросив вызов. Посмотрите, сможете ли вы определить, какие из пробирок пусты, частично заполнены или полностью заполнены, основываясь на подсказках.

Как паутина обретает силу | Новости Массачусетского технологического института

Шелк, который пауки используют, чтобы плести свои сети, ловить свою добычу и свисать с вашего потолка, является одним из самых прочных известных материалов. Но оказывается, не только исключительная прочность материала делает паутину такой прочной; это необычное сочетание прочности и эластичности материала — характерный способ шелка сначала смягчаться, а затем становиться жестким при растяжении. Ученые обнаружили, что эти свойства варьируются в зависимости от приложенных сил, а также от общего дизайна паутины.

Маркус Бюлер, адъюнкт-профессор гражданской и экологической инженерии (CEE) в Массачусетском технологическом институте, ранее проанализировал сложную иерархическую структуру паучьего шелка и его удивительную прочность — в пересчете на фунт он прочнее стали. Теперь Бюлер и его коллеги применили свой анализ к структуре самих тканей, найдя доказательства ключевых свойств, которые делают ткани такими эластичными, и связав эти свойства с молекулярной структурой шелковых волокон.

Уроки, извлеченные из этой работы, по словам Бюлера, могут не только помочь в разработке более устойчивых к повреждениям синтетических материалов, но и предоставить принципы проектирования, которые могут применяться к сетевым системам, таким как Интернет или электросеть.

Статья с описанием новых открытий опубликована на этой неделе в журнале Nature . Помимо Бюлера, исследование проводили аспиранты из Центральной и Восточной Европы Стивен Крэнфорд и Анна Тараканова, а также Никола Пуньо из Туринского политехнического университета в Италии.

Оказывается, ключевое свойство паутинного шелка, помогающее сделать паутину прочной, ранее считалось слабостью: он может сначала растягиваться и смягчаться при натяжении, а затем снова становиться жестким по мере увеличения силы натяжения.

Эта реакция жесткости имеет решающее значение для устойчивости паучьего шелка к повреждениям. Бюлер и его команда проанализировали, как материалы с разными свойствами, расположенные в одном и том же узоре паутины, реагируют на локальные напряжения. Они обнаружили, что материалы с другими реакциями — те, которые либо ведут себя как простая линейная пружина при растяжении, либо сначала растягиваются, а затем становятся более «пластичными», — работают гораздо менее эффективно.

Паутина, как оказалось, может выдержать немало ударов без промаха. Повреждения, как правило, локализованы и затрагивают всего несколько потоков — например, место, где ошибка попала в сеть и начала крутиться. Это локализованное повреждение можно просто отремонтировать, а не заменить, или даже оставить в покое, если паутина продолжит функционировать, как прежде. «Даже если в ней много дефектов, на самом деле паутина механически функционирует практически так же», — говорит Бюлер. «Это очень отказоустойчивая система».

Исследования Бюлера носят в основном теоретический характер и основаны на компьютерном моделировании свойств материалов и их реакции на нагрузки. Но в этом случае, чтобы проверить результаты, он и его команда буквально отправились в поле: они проверили настоящую паутину, тыкая и дергая ее. Во всех случаях ущерб был ограничен непосредственной областью, которую они потревожили.

Эффект был несколько неожиданным, говорит Бюлер: Первоначальным ответом была деформация всего полотна, так как пряди изначально относительно легко деформируются. Но тогда, из-за нелинейной реакции волокон, только нити, к которым прикладывалась сила, несли нагрузку — вытягиваясь, а затем становясь жесткими. По мере увеличения силы они в конце концов сломались.

«Независимо от того, где вы тянете, паутина всегда дает сбой именно в этом месте», — говорит Бюлер. Любой может провести этот простой эксперимент, добавляет он: просто выдерните одну шелковую нить из паутины, и она порвется только там, где ее тянут. В полотне, изготовленном из материала с более равномерной реакцией на растяжение, напротив, локальные напряжения вызывают гораздо более обширные повреждения.

С другой стороны, при сильном ветре исходная жесткость шелка помогает паутине выжить. Паутина в симуляции Бюлера могла выдерживать ветры почти ураганной силы, прежде чем разорвалась на части.

Инженеры, как правило, сосредотачиваются на материалах с равномерными линейными характеристиками, говорит Бюлер, потому что их свойства намного легче рассчитать. Но это исследование показывает, что материалы с более сложными реакциями могут иметь важные преимущества. Например, в необычной реакции паучьего шелка — сначала жесткой, затем эластичной, затем снова жесткой — «каждый маленький кусочек этого забавного поведения играет фундаментальную роль» в том, чтобы сделать всю паутину такой прочной, говорит он. Материалы с одинаковой предельной прочностью, измеряемой пределом прочности, часто ведут себя по-разному в реальных приложениях. «Настоящая сила не так важна, важно, как вы ее достигаете», — говорит он.

Базовый принцип допущения локальных повреждений, чтобы вся конструкция могла выжить, говорит Бюлер, может в конечном итоге стать руководством для инженеров-строителей. Например, сейсмостойкие здания, как правило, предназначены для защиты всего здания за счет рассеивания энергии и снижения нагрузки на конструкцию. Когда они терпят неудачу, они, как правило, делают это полностью.

Новый дизайн может позволять зданию изгибаться до определенного предела, но тогда определенные структурные элементы могут сломаться первыми, что позволит выжить остальной конструкции; в конечном итоге это может позволить отремонтировать здание, а не снести его. Подобные принципы могут применяться к конструкции самолетов или бронированных машин, которые могут противостоять локальным повреждениям и продолжать функционировать.

Такие «жертвенные элементы» могут использоваться не только для физических объектов, но и при проектировании сетевых систем: например, компьютер, подвергшийся вирусной атаке, может быть спроектирован так, чтобы мгновенно отключаться, прежде чем его проблемы распространятся. Таким образом, когда-нибудь Всемирная паутина может быть действительно усилена благодаря урокам, извлеченным из версии на заднем дворе, которая вдохновила ее название.

«Это реальная возможность, — говорит Бюлер. «Это открывает новую переменную дизайна для проектирования».

Дэвид Каплан, профессор инженерии в Университете Тафтса и директор его Центра биологической инженерии, называет эти результаты «весьма интересными». Он говорит: «Сочетание моделирования и эксперимента делает его особенно привлекательным в качестве платформы для изучения конструкции материалов и режимов разрушения в целом с учетом структурной иерархии».