Живые фабрики
Светящаяся паутина и шелк с нанотрубками: ученые готовы превратить животных и растения в фабрики для производства материалов будущего.
Мастерство плетения волокон насекомые и пауки оттачивали сотни миллионов лет, научившись создавать материалы невероятно прочные и легкие, биосовместимые и химически инертные. Жаль, что применение их человеком уже тысячелетия сводится к банальному производству шелковых тканей – хотя чем лучше мы узнаём свойства этих биоволокон, тем больше это похоже на забивание гвоздей микроскопом. Взять хотя бы паутину – материал надежнее стали (предел прочности на разрыв 1,0–2,7 ГПа) и легче углеволокна (плотность 1,3–1,4 г/см3). Ее свойства сравнимы с лучшими вариантами кевлара и даже новомодных волокон, дополнительно укрепленных молекулярными «узелками» на полимерных цепочках. Из паутины вышли бы отличная одежда и тросы, прочные биоразлагаемые пакеты, хирургические нити и даже бронежилеты.
Эти свойства вырастают из сложной структуры паучьей нити. Паутинные белки, такие как спидроин, выделяются специальными железами и состоят в основном из аминокислот глицина и аланина. По мере того как на воздухе секрет твердеет, небольшой и подвижный глицин образует упругую и аморфную основу структуры, тогда как аланин организуется в прочные «кристаллические» домены, которые могут дополнительно скрепляться сульфидными мостиками аминокислотных остатков серина. Это настоящий биокомпозит, сложная структура которого позволяет добиться уникальных характеристик. В аморфную основу могут включаться и дополнительные молекулы, придающие паутине новые свойства: например, пирролидин отпугивает муравьев, а заодно активно поглощает воду, поддерживая паутину в оптимально увлажненном состоянии.
Структура паутинной нити
Армирование
Наличие таких «легирующих» соединений не редкость для природных полимеров. Включения металлов укрепляют челюсти некоторых насекомых, а минеральные кристаллы делают зубы брюхоногих морских блюдечек самым прочным из всех природных материалов. Неудивительно, что и ученые пытаются улучшить свойства паутины внесением искусственных добавок – наночастиц, углеродных нанотрубок и даже полупроводниковых микрокристаллов теллурида кадмия, покрытие из которых заставило паутину флуоресцировать. Как правило, их просто напыляют на нить. Внедрить частицы в ее структуру не удавалось, пока итальянско-британский физик Никола Пуньо не опрыскал животных водой с графеновыми хлопьями и нанотрубками.