Автор: Олег Сивченко. Мне давно хотелось посвятить одну из статей такой теме, которая при поверхностном ознакомлении напоминает об «игнобелевской премии», но на самом деле обладает большим практическим потенциалом, в том числе, в промышленных масштабах. И вот такая тема нашлась. В моем блоге я не раз обращался к бионике и даже (немного) к биоинформатике, но сегодня тема будет по-настоящему экстравагантной.

Уже поставлены первые удачные опыты по производству сверхпрочной паутины с включением графена и нанотрубок. Для этого достаточно поить пауков водой с содержанием графена. Этот опыт в 2015 году провела группа ученых под руководством Николы Пуньо (Nicola Pugno) в университете итальянского города Тренто. Графен и нанотрубки включаются в состав паутины, и такие паучьи нити получаются как минимум впятеро прочнее обычных. Они даже выдерживают вес взрослого человека. Опыт был поставлен в 2015 году, о чем даже была новость на Хабре – на чем тема и показалась исчерпанной (пошутили про хоббитов и Унголианту).

На самом же деле, работа Пуньо заострила внимание на том, что паутина, а также нити шелкопрядов демонстрируют более широкое свойство метаболизма членистоногих: их ткани легко интегрируются с металлами и даже полупроводниками, что позволяет разрабатывать совершенно новые материалы и датчики. Далее я расскажу, какие достижения в этой области бионики получены к настоящему времени.

Белковый матрикс и жесткие ткани насекомых, червей и паукообразных содержат разнообразные металлы, в частности, цинк, марганец и медь. Так достигается механическое упрочнение жвал, мандибул, яйцекладов, а также повышается прочность шелка и паутины. Доказано, что в эти же ткани можно внедрять и другие металлы, например, титан, алюминий свинец – и не только металлы, но и изоляторы, и полупроводники. Особенно интересные результаты достижимы при присадке нанодоз таких веществ в животный шелк – это делается методом многократной импульсной паровой инфильтрации. Таким образом модуль прочности шелка удается увеличить с 131 МПa до 1,5 ГПa.

Биоматериалы с улучшенными механическими или проводящими свойствами могут находить инновационные варианты применения на практике – например, при производстве сверхпрочных тканей или регенерации нервных волокон. Если покрыть натуральные нити шелкопряда нановолокнистым углеродом, то такая нить станет электропроводящей. В качестве других присадок в животный шелк можно интегрировать наночастицы теллурида кадмия (и шелк становится флуоресцентным), либо магнетита (шелк приобретает магнитные свойства). Тем не менее, Никола Пуньо экспериментировал именно с пауками. Дело в том, что паутина прочнее, чем нити шелкопряда, а также лучше принимает заданные геометрические формы.

Таким образом, потенциально паутина может найти применение как минимум в четырех широких прикладных областях:

1. Медицинские волокна
2. Текстиль, в том числе, материал для бронежилетов
3. Тактильные сенсоры
4. Акустика

Далее мы рассмотрим суть опытов Пуньо, механические и геометрические свойства паутины, внедрение графена и нанотрубок в паутину и результаты, достигнутые в вышеперечисленных областях.