Міцніший за сталь, міцніший за кевлар - секрет павукового шовку нарешті розкрито
Пауки не просто плетут паутину - они ее конструируют. Растягивая шелк в процессе прядения, пауки укрепляют волокна на молекулярном уровне, выравнивая белки и образуя дополнительные связи, которые повышают прочность.
Ученые раскрыли этот секрет с помощью вычислительного моделирования и лабораторных экспериментов, открыв путь к созданию биоинженерного шелка, который найдет применение в самых разных областях - от медицинских швов до сверхпрочной брони.
Пауки укрепляют свой шелк с помощью растяжения
Когда пауки плетут паутину, они используют задние лапы, чтобы вытянуть шелк из своих веретен. Это растягивание не просто освобождает шелк - оно укрепляет волокна, делая паутину более прочной.
Новое исследование Северо-Западного университета показывает, почему растяжение играет такую важную роль. С помощью компьютерного моделирования ученые обнаружили, что при растяжении паучьего шелка его белковые цепи выравниваются, и между ними образуется больше молекулярных связей. Эти изменения делают волокна значительно прочнее и жестче.
Создание более прочного и универсального шелка
Чтобы подтвердить эти выводы, команда провела лабораторные эксперименты с использованием искусственного паучьего шелка. Полученные результаты могут помочь ученым разработать усовершенствованные материалы на основе шелка для самых разных целей - от биоразлагаемых хирургических швов до сверхпрочных бронежилетов.
«Исследователи уже знали, что растяжение, или вытягивание, необходимо для создания действительно прочных волокон», - говорит Синан Кетен из Северо-Западного университета, старший автор исследования. «Но никто не знал, почему. С помощью нашего вычислительного метода мы смогли исследовать происходящее на наноуровне и получить сведения, которые невозможно получить экспериментально. Мы смогли изучить, как рисунок связан с механическими свойствами шелка».
Пауки: Природные мастера волоконного дизайна
«Пауки выполняют процесс рисования естественным образом», - говорит Джейкоб Грэм из Северо-Западного университета, первый автор исследования. «Когда они прядут шелк из своей шелковой железы, пауки используют свои задние ноги, чтобы захватить волокно и вытянуть его. Это растягивает волокно в процессе его формирования. Это делает волокно очень прочным и очень эластичным. Мы обнаружили, что можно изменять механические свойства волокна, просто изменяя степень растяжения».
Кетен - эксперт в области биоинспирированных материалов, профессор инженерного дела Джером Б. Коэн, профессор и заместитель председателя кафедры машиностроения, а также профессор гражданского и экологического строительства в Северо-Западной инженерной школе Маккормика. Грэм - аспирант в исследовательской группе Кетена.
Прочнее стали, прочнее кевлара
Исследователи давно интересуются паучьим шелком из-за его удивительных свойств. Он прочнее стали, жестче кевлара и растягивается, как резина. Но выращивать пауков для получения натурального шелка дорого, энергозатратно и сложно. Поэтому ученые хотят воссоздать шелкоподобные материалы в лаборатории.
«Паучий шелк - самое прочное органическое волокно», - говорит Грэм. «Кроме того, его преимущество в том, что он поддается биологическому разложению. Таким образом, это идеальный материал для медицинских целей. Его можно использовать для хирургических швов и адгезивных гелей для закрытия ран, поскольку он будет естественным образом и безвредно разлагаться в организме».
Соавтор исследования Фучжун Чжан, профессор Фрэнсис Ф. Ахманн в Вашингтонском университете (WashU) в Сент-Луисе, уже несколько лет занимается разработкой микробов для производства материалов из паучьего шелка. Экструдируя белки паучьего шелка, а затем растягивая их вручную, команда разработала искусственные волокна, похожие на нити золотого шелка орбитального ткача - крупного паука с потрясающе прочной паутиной.
Симуляция растяжимости: Наука, стоящая за прочностью
Несмотря на разработку «рецепта» паучьего шелка, исследователи все еще не до конца понимают, как процесс прядения изменяет структуру и прочность волокна. Чтобы ответить на этот открытый вопрос, Кетен и Грэм разработали вычислительную модель для моделирования молекулярной динамики в искусственном шелке Чжана.
В ходе моделирования северо-западная команда исследовала, как растяжение влияет на расположение белков в волокнах. В частности, они посмотрели, как растяжение изменяет порядок расположения белков, их связь друг с другом и движение молекул внутри волокон.
Молекулярная магия: как растяжение выравнивает белки
Кетен и Грэм обнаружили, что растяжение заставляет белки «выстраиваться в линию», что повышает общую прочность волокна. Они также обнаружили, что растяжение увеличивает количество водородных связей, которые действуют как мостики между белковыми цепочками, составляющими волокно. Увеличение количества водородных связей способствует повышению общей прочности, жесткости и эластичности волокна, считают исследователи.
«Когда волокно экструдируется, его механические свойства на самом деле довольно слабые», - говорит Грэм. «Но когда оно растягивается в шесть раз больше своей первоначальной длины, оно становится очень прочным».
От теории к реальности: Испытание волокон
Чтобы подтвердить свои расчетные выводы, команда использовала методы спектроскопии, чтобы изучить, как белковые цепи растягиваются и выравниваются в реальных волокнах, полученных от команды Университета Вашингтона. Они также провели испытания на растяжение, чтобы определить, насколько сильно волокна могут растягиваться, прежде чем сломаться. Экспериментальные результаты совпали с предсказаниями симуляции.
«Если не растягивать материал, то получаются сферические шарики белков», - говорит Грэм. «Но растяжение превращает эти шарики в более взаимосвязанную сеть. Цепочки белков наслаиваются друг на друга, и сеть становится все более и более взаимосвязанной. Связанные в пучок белки имеют больше возможностей для распутывания и дальнейшего растяжения, прежде чем волокно сломается, но изначально растянутые белки делают волокна менее растяжимыми, и для их разрыва требуется большее усилие».
