Павуки використовують задні ноги для витягування шовкових ниток. Цей процес не лише вивільняє шовк із веретен. Він також зміцнює шовкові волокна для міцнішого павутиння. Науковці з Північно-Західного університету провели дослідження цього феномену.
Дослідницька команда застосувала комп’ютерне моделювання павутинного шовку. Вони виявили, що розтягування вирівнює білкові ланцюги у волокнах. Це також збільшує кількість зв’язків між ними. Обидва фактори створюють міцніші та жорсткіші волокна.
Наукові висновки та експериментальні підтвердження
Дослідники підтвердили свої обчислювальні прогнози лабораторними експериментами. Вони використовували штучний павутинний шовк. Результати дослідження будуть опубліковані в журналі Science Advances 7 березня.
“Дослідники вже знали, що таке розтягування необхідне для створення дійсно міцних волокон”, – зазначив Сінан Кетен, старший автор дослідження. Науковці змогли дослідити процеси на нанорівні. Це дало їм інформацію, яку неможливо побачити експериментально.
Джейкоб Грехем, перший автор дослідження, пояснює природний процес.
Професор Кетен є експертом з біо-інспірованих матеріалів. Він працює в Інженерній школі МакКорміка. Грехем є аспірантом у дослідницькій групі Кетена.
Перспективи застосування павутинного шовку
Павутинний шовк має унікальні властивості. Він міцніший за сталь та жорсткіший за кевлар. При цьому він розтягується як гума. Розведення павуків для отримання натурального шовку дороге та складне. Тому вчені прагнуть відтворити шовкоподібні матеріали в лабораторії.
“Павутинний шовк – це найміцніше органічне волокно”, – каже Грехем. Він має перевагу біологічної розкладності. Це робить його ідеальним для медичного застосування. Його можна використовувати для хірургічних швів та клейких гелів.
Професор Фучжун Чжан з Вашингтонського університету працює над конструюванням мікробів. Вони виробляють матеріали на основі павутинного шовку. Команда розробила штучні волокна, схожі на нитки золотого шовкопряда.
Молекулярна динаміка та практичне значення
Науковці розробили комп’ютерну модель для імітації молекулярної динаміки. Вони дослідили вплив розтягнення на розташування білків у волокнах. Розтягування змушує білки “вишикуватися”, збільшуючи міцність волокна.
Дослідники виявили збільшення кількості водневих зв’язків. Вони діють як містки між білковими ланцюгами. Це підвищує міцність, в’язкість та еластичність волокна.
“Після екструзії волокно досить слабке”, – пояснює Грехем. Але розтягнення до шести разів від початкової довжини робить його дуже міцним. Команда підтвердила свої висновки методами спектроскопії та випробуваннями на розтягнення.
Розтягнення перетворює сферичні кульки білків на взаємопов’язану мережу. Білкові ланцюги накладаються один на одного. Зв’язані білки мають більший потенціал для розплутування. Спочатку розтягнуті білки утворюють менш розтяжні волокна.
Інженерний павуковий шовк є міцною, біорозкладною альтернативою. Він може замінити синтетичні матеріали, виготовлені з нафти. “Я дивлюся на павуків у новому світлі”, – підсумовує Грехем. Колись вони були просто моторошними істотами, тепер вони джерело наукового захоплення.