В последний раз, когда вы наблюдали, как паук падает с потолка на веревку из шелка, он, скорее всего, грациозно спускался по своему драглайну, а не бесконтрольно крутился по спирали, потому что шелк паука обладает необычной способностью противостоять скручивающим силам.
В новой статье, опубликованной на этой неделе в Applied Physics Letters от AIP Publishing, исследователи из Китая и Великобритании показали, что в отличие от человеческого волоса, металлической проволоки или синтетических волокон паутина частично деформируется при скручивании. Это свойство быстро рассеивает энергию, которая в противном случае заставила бы возбужденного паука крутиться на конце своего шелка.
«Шелк паука сильно отличается от других, более традиционных материалов», - сказал Дабяо Лю из Хуачжунского университета науки и технологий. «Мы обнаружили, что драглайн из паутины почти не скручивается, поэтому мы хотим знать, почему».
Более глубокое понимание того, как шелк паука сопротивляется вращению, может привести к биомиметическим волокнам, которые имитируют эти свойства для различных потенциальных применений, таких как струны для скрипки, спасательные лестницы для вертолетов и парашютные шнуры. «Если бы мы поняли, как паучий шелк достигает этого, то, возможно, мы могли бы включить эти свойства в наши собственные синтетические веревки», - сказал Дэвид Данстан из Лондонского университета королевы Марии.
Пауки используют шелк драглайна для внешнего края и спиц своей паутины, а также как спасательный круг при падении на землю. Этот материал заинтриговал ученых своей невероятной прочностью, эластичностью и способностью проводить тепло, но мало исследований было посвящено его свойствам при скручивании - тому, как он реагирует на скручивание.
Исследователи использовали торсионный маятник, тот же инструмент, который Генри Кавендиш использовал для взвешивания Земли в 1790-х годах, чтобы исследовать шелк двух видов ткачей золотых шелковых сфер. Они собрали нити шелка у пауков в неволе и подвесили нити внутри цилиндра, используя две шайбы на конце, чтобы имитировать паука. Цилиндр изолировал шелк от возмущений окружающей среды и поддерживал постоянную влажность нити, потому что вода может вызвать сжатие волокон. Вращающийся поворотный стол скручивал шелк, в то время как высокоскоростная камера записывала колебания шелка вперед и назад в течение сотен циклов.
В отличие от синтетических волокон и металлов, шелк паука слегка деформируется при скручивании, что высвобождает более 75 процентов его потенциальной энергии, а колебания быстро замедляются. После скручивания шелк частично расправляется.
Команда подозревает, что это необычное поведение связано со сложной физической структурой шелка, состоящей из сердцевины из множества фибрилл внутри кожи. Каждая фибрилла состоит из сегментов аминокислот в виде организованных слоев и других сегментов в виде неструктурированных петлевых цепей. Они предполагают, что кручение заставляет листы растягиваться, как эластичные, и деформировать водородные связи, связывающие цепи, которые деформируются, как пластик. Листы могут восстановить свою первоначальную форму, но цепи остаются частично деформированными. Маятник демонстрирует это изменение уменьшением амплитуды колебаний шелка, а также смещением точки равновесия колебаний.
Группа продолжит исследовать, как шелк паука реагирует на скручивание таким образом, а также изучает, как он сохраняет свою жесткость при кручении, какое влияние оказывает влажность и в какой степени воздух помогает рассеивать энергию. «Необходимо много дополнительной работы», - сказал Данстан. «Этот паутинный шелк демонстрирует свойство, которое мы просто не знаем, как воссоздать сами, и это очаровательно».