Объект исследований - паутина

Ученые нашли способ упрочнения и повышения эластичности природных белковых волокон

Немецкие ученые нашли способ значительно увеличить прочность и эластичность волокон паутины – материала, который и без того по праву считается одним из рекордсменов механических свойств. Новое изобретение, по мнению ученых, представляет собой хорошую базу для разработки сверхпрочного текстиля, хирургических нитей, материалов для изготовления имплантов опорно-двигательного аппарата, а также легких и прочных корпусов летательных аппаратов

Pautina_5.jpg .

Паутина, или паучий шелк – это один из изумляющих примеров материалов, создаваемых природой и проявляющих исключительные физические свойства. Ее прочность в пересчете на один квадратный миллиметр сечения позволяет выдержать 260 кг, она прочнее и намного легче стали. И все же ученые предприняли попытку превзойти природные показатели этого материала.

С помощью метода атомно-слоевой эпитаксии (atomic layer deposition, ALD) в структуру волокон были внедрены атомы металлов: цинка, титана и алюминия. Идея такого подхода была также позаимствована у природы: как известно, насекомые и некоторые другие организмы в составе прочных тканей ротового аппарата и когтей имеют существенные включения металлов, таких как цинк, марганец и медь.

  • Обработка волокон по классической методике ALD с образованием оксидов металлов на поверхности не привела к существенному упрочнению материала. Тогда, несколько изменив методику, ученым удалось добиться проникновения ионов металлов внутрь волокна, а также встраивания металла в его белковую структуру. Такой паучий шелк стал в 10 раз более прочным, и существенно эластичнее исходного природного материала.

Pautina_7.jpg .

Точный механизм полученного эффекта ученым еще не известен. В то же время наиболее вероятным объяснением может служить гипотеза о том, что атомы металла заменяют водородные связи между белками, формируя более прочные взаимодействия в волокнах.

  • Результаты этого исследования, проведенного в Институте Микроструктурной Физики Макса Планка (Max Planck Institute of Microstructure Physics, Германия), были благосклонно встречены научным сообществом и опубликованы в журнале Science. Ученые видят высокий потенциал нового метода упрочнения и повышения эластичности как конструкционных, так и биоматериалов. Работа затрагивает в первую очередь белковые структуры – уже появились идеи применить новый метод к коллагеновым волокнам – важным элементам костной ткани и кожи.

Pautina_9.jpg Паук за работой

Pautina_6.jpg

Выделительные железы паука

Pautina_10.jpg Различные виды паутины

Безусловно, создание технологии получения промышленного количества высокопрочных материалов на основе природного паучьего шелка не входит в планы исследователей, однако тенденции применения нового подхода к упрочнению различных материалов, таких как искусственные кости и сухожилия, конструкционные материалы для авиа- и космических летательных аппаратов подразумевают высокую технологическую значимость открытия.

Мария Костюкова

http://www.nanonewsnet.ru/…vykh-volokon



nikst аватар
  • Да, интересное исследование, которое мгновенно всколыхнуло огромный интерес со стороны научной и деловой общественности. Его результаты и возможные «последствия» – возможности практического использования – широко обсуждаются на страницах печати: Scientists Strengthen Spider Silk by Mixing In Metal.

Отечественные исследователи тоже занимаются паутиной. Но у них – несколько иной подход. Они стараются воссоздать свойства «натуральной» (природной) паутины, создавая её искусственные аналоги: ИСКУССТВЕННАЯ ПАУТИНА – НАНОТКАНЬ БУДУЩЕГО

И на этом пути они уже добились существенных результатов…

  • В обоснование своей работы они отмечают: «Создание текстильных материалов на основе биополимеров является перспективной областью исследований. Широко известен факт, что шёлковые изделия высоко ценятся, а также что появление синтетического шёлка резко увеличило объем текстильной промышленности. Также известно, что прочность нитей паутины превышает прочность стальной проволоки той же толщины, и даже превышает прочность нитей полимера кевлара, который является основной составляющей современных бронежилетов. Уже из этих фактов становится понятно, почему в исследовании искусственной паутины на сегодняшний день заинтересованы многие лаборатории».
  • В результате этой работы было "…показано, что образование волокон из искусственного (рекомбинантного) белка паутины возможно, разработан метод их получения, установлена структура нановолокон паутины. Благодаря свойствам биосовместимости, нановолокна паутины могут использоваться для создания тканей в медицинских и других целях.

Работа была выполнена по проекту «Разработка научных основ нанотехнологии для создания биосовместимых материалов медицинского назначения на базе рекомбинантных аналогов белков паутины» в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» по критической технологии «Технологии создания биосовместимых материалов» (мероприятие 1.3)".

Так что в области изучения древнего и с детства всем знакомого материала – паутины – наступает новая эра, эра широкого исследования и практического применения замечательных свойств этого удивительного материала…