Ми вже давно знаємо, що павутина є по-справжньому дивним матеріалом, проте вчені досі продовжують знаходити ще більш приголомшливі властивості і особливості у цих найтонших шовкових нитках. Наприклад, зовсім недавно міжнародна група дослідників виявила, що павутина поділяє корисні властивості з напівпровідниками. Правда, замість того щоб працювати з електронами, її можна використовувати для маніпуляції звуку і тепла.
Як описується в статті журналу Nature Materials, павутина може блокувати певні квазічастинки звуку (називаються «фонони») різного ступеня частоти аналогічно тому, як напівпровідники можуть блокувати певні електрони.
«Є певний діапазон частот, які можна блокувати. Якщо передавати звук певної частоти, то він не пройде через цей матеріал», — говорить співавтор дослідження Едвін Томас з Університету Райса.
Цей ефект носить назву «ширина забороненої зони» і дозволяє вченим ефективно «налаштувати» матеріали з такою властивістю для різноманітних цілей. Фотонні кристали, такі як опал, наприклад, що утворюються в природі, проробляють той самий трюк, але з хвилями світла. Звичайно, фотонні кристали можуть впливати аналогічним чином і на звук, проте це перший випадок, коли така особливість була виявлена у павутини.
Павутина може бути міцніше сталі і здатна розтягуватися, як гума. Ось тому багато вчених намагаються знайти спосіб ефективного запозичення її властивостей у таких матеріалах, як кевлар і нейлон. Крім цього, павутина має властивість липкості, натуральними антимікробними властивостями, вона гіпоалергенна і біорозчинна.
Всім цим дивовижним властивостям цей матеріал зобов’язаний своїй кристалічній структурі. Всередині кожної нитки знаходяться ще більш тонкі нитки, які посилюють її міцність і дозволяють розтягуватися. 70 відсотків матеріалу складається з гліцину, однак до складу також входять аланін і серин. Один з цих компонентів має більш впорядковану структуру, а інший — менш впорядковану. Ця різниця і робить павутину такою міцною.
Мікроструктура павутини здатна блокувати фонони
Завдяки вібраціям ниток, павуки можуть відчувати, коли павутина пошкоджується чи в неї потрапляє чергова жертва. Дивно, але різниця частот цих вібрацій вказує павукам на те, що саме відбувається з їх павутиною.
Коли Томас і його команда досліджували мікроструктуру павутини, вчені виявили, що розтягування або, навпаки, ослаблення натягу більш м’яких ланцюжків, що з’єднуються з більш міцними ланцюгами кристалів протеїнів нитки, змінює і їх акустичні властивості. Вчені прийшли до висновку, що контролювати ширину забороненої зони можна простим натягом нитки. Крім того, вчені з’ясували, що павутину можна наділити і тепловими властивостями.
«Фононні кристали дають вам можливість управління звуковими хвилями. Якщо ці хвилі будуть досить короткими і певної частоти, то можна адаптувати матеріал на теплові властивості. Скажімо, якщо ми можемо змусити тепло рухатися в тому напрямку, а не в цьому, або ж повністю блокувати потік, то фактично ми перетворюємо матеріал в теплоізолятор, яким він був раніше», — коментує Томас.
Якщо вчені зможуть відтворити кристалічну мікроструктуру, яка робить павутину такою особливою, то це відкриє безліч можливостей у виробництві нових синтетичних матеріалів, наприклад, хвилеводів, або матеріалів, які будуть зупиняти звук або забезпечувати ізоляцію.