По легенде, у Людовика XIV и Наполеона были перчатки, сделанные из паутины, а стареющей британской королеве Виктории китайское посольство преподнесло целую мантию из такого материала. Трудно сказать, насколько этим утверждениям можно верить, и какую долю в этих тканях на деле составляла паучья нить, но смысл во всём этом есть. В подходящих условиях паутинка может выдержать натяжение, в несколько раз большее, чем максимальное натяжение стальной нити того же диаметра, будучи при том в несколько раз легче. Например, паутинка толщиной в 1 мм должна, по идее, удерживать человека; как тут не порадоваться, что пауки не плетут такой паутины.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"click": "on",
"id": "2961139",
"incutNum": 1,
"repl": "<1>:{{incut1()}}",
"uid": "_uid_2978742_i_1"
}
Теперь группа немецких физиков и химиков под руководством Ли Сын Мо из Института физики микроструктур имени Макса Планка показала, что паутину можно сделать ещё крепче и эластичнее.
Особая обработка превращает натуральную паутину в супернить, которая прочнее в 5 раз и «растяжимее» втрое.
Супернить толщиной в 1 мм сможет выдержать уже с полтонны, она растягивается в полтора-два раза и обладает почти той же плотностью. Технология такой обработки описана в статье, опубликованной в последнем номере Science.
Учёные попробовали получить очередное подтверждение гипотезе, что свою силу особо прочные биологические материалы – зубная эмаль, клешни, элементы скелета, жала некоторых организмов – черпают из сравнительно небольших неорганических включений в белковой матрице. Вместо того, чтобы строить бесконечные графики корреляции параметров прочности с количеством металла в белке, Ли Сын Мо и его коллеги решили напрямую сравнить, как будет отличаться паучья нить, в которой мало металла, от паучьей нити, в которой его много.
Паутинку учёные добыли при помощи паука рода Araneus, наматывая её на медную скрепку. Аранеусы – близкие родственники знакомого нам всем паука-крестовика, в их число входит и он сам. Какой вид аранеусов использовался, не уточняется, но поскольку поймали его физики прямо во дворе своего института в Галле, в центре Европы, вряд ли это был экзотический экземпляр.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"click": "on",
"id": "2853313",
"incutNum": 2,
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2978742_i_2"
}
После нескольких сот таких циклов (каждый продолжительностью 1–2 минуты) на поверхности паутинки оставалась тонкая плёнка оксида – цинка, алюминия или титана соответственно. И механические показатели – что исходный модуль Юнга, что предел прочности, – резко увеличивались. Лучше всех себя показал титан, и в целом, чем больше циклов металл/вода было, тем лучше был результат (хотя кривая зависимости механического напряжения от относительного растяжения вела себя затейливо).
Можно было бы подумать, конечно, что лишнюю силу паутине дало внешнее покрытие, однако это не так:
за улучшение прочности и эластичности отвечают атомы металла, проникшие в белковую структуру самой паутины.
Само по себе оксидное покрытие большого выигрыша не давало (например, оно не растягивается даже на 1%), да и от толщины его слоя механические характеристики зависели слабо. А вот зафиксировать следы титана внутри самой нити учёным удалось с помощью спектрометрии и электронного микроскопа.
Как оказалось, важным был и сам процесс внедрения металла в белок – даже полноценное вымачивание нитей в течение 10 часов в диэтилцинке и ему подобным не давало результата, хоть сколько-нибудь сравнимого с многократными циклами осаждения металла и воды.
При формировании молекул химических веществ, их кристаллов, и поликристаллических твердых тел атомы вступают во взаимодействие и связываются между собой при помощи так называемой химической связи. При этом тип этой связи в зависимости от природы атомов и строения конечной молекулы может весьма сильно различаться.
Самый распространенный тип химической связи – это ковалентная связь. Она образуется при помощи неспаренных электронов на валентных электронных орбиталях атомов. При спаривании такие электроны становятся как бы общими для обоих атомов, иными словами они становятся в равной степени распределены между двумя атомами, вступившими во взаимодействие на их общей молекулярной орбитали.
Ионная химическая связь – это крайний случай ковалентной химической связи и образуется тогда, когда во взаимодействие вступают атомы с резко различающейся химической природой. Например, в кристаллах всем известной поваренной соли NaCl химическая связь является чисто ионной. Обусловлена она тем, что атому хлора, уже имеющему на своей валентной электронной оболочке семь электронов, энергетически очень не выгодно делить эти семь электронов с другими атомами. Атому хлора для завершенной восьмиэлектронной оболочки инертного газа достаточно всего лишь одного электрона, который он с легкостью отнимает от атома натрия, с которым единственный валентный электрон связан достаточно слабо. Это свойство атомов химических элементов – электроотрицательность – и обуславливает возникновение ионной химической связи. Чем больше разница в электроотрицательности взаимодействующих атомов, тем более сильно смещена их общая электронная плотность к одному из них, тем больше локальный электрический заряд атомов и тем более ионный характер носит их химическая связь.
К химической связи относится так же и металлическое взаимодействие в объемных металлических материалах. Во всех узлах такой кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся валентные электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Силы металлической связи не локализованы и не направлены.
Особым типом химической связи является водородная связь. Она является разновидностью невалентного взаимодействия между атомом водорода H, ковалентно связанного с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H•••BR различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли мостика, связывающего фрагменты RA и BR. Прочность водородной связи сильно зависит от электроотрицательности атомов, вступающих во взаимодействие.
В «металлизированной» паутине вместо слабых водородных устанавливаются сильные ковалентные связи, полагают немецкие учёные, что и придаёт дополнительную прочность.
Роль водяного пара в этом процессе – «размочить» белковые структуры, чтобы атомы металла могли проникнуть внутрь. Как признают учёные, рассуждения о ковалентных связях – лишь гипотеза, для проверки которой потребуется ещё немало экспериментов.
С практической точки зрения, впрочем, всё равно, подтвердится ли конкретно эта гипотеза. Если мы когда-нибудь научимся в промышленных масштабах плести прочную паучью нить – с помощью ли трансгенных козлов или благодаря химическому синтезу – мы уже знаем, как сделать её ещё во много раз прочнее.
