Информация. Шелк тутового шелкопряда и паутины паука имеют схожий состав — 50% белка имброзина. Ученые обнаружили, что паучий шелк намного прочнее, чем шелк гусениц. Это связано с особенностями формирования волокон
Паутина имеет белковую основу, схожую с натуральным шелком, и относится к биоэластичным волокнам. Паутинка характеризуется не только эластичностью, но и отличной механической прочностью, сохраняет свою целостность при достаточно высоких температурах и связана с неорганическими добавками. Кроме того, паутина очень легкая и не может сравниться ни с одним натуральным или синтетическим волокном. Обычный «рулон» армированной ткани в три раза прочнее «рулона» натуральной ткани, в пять раз прочнее стали и в два раза гибче нейлона. В структурном отношении пряденая ткань является одним из самых высококачественных природных материалов.
Возможно, ламинированная ткань была бы лучшим материалом для парашютов. Поскольку паутина является биоразлагаемым материалом, уже в конце XIX века предпринимались попытки изготовить из нее гемостатические ткани. Позже паутину использовали в хирургии для изготовления искусственных сухожилий.
Паучьи нити могут растягиваться в 2-4 раза от первоначальной длины без разрыва, и в этом отношении они превосходят сталь и кевлар, а тем более резину и нейлон. Помимо прочности, полотно обладает еще одним уникальным преимуществом: оно хорошо реагирует на вибрацию. Паутина хорошо сохраняет свою целостность при температуре около 200°C (но разрушается при температуре выше 300°C) и сохраняет свою эластичность при высоких отрицательных температурах д о-40°C. Основной компонент паутины, так называемый «веревочный шелк», нетоксичен; до сих пор не известно ни одной иммунной реакции на него. Поэтому паутина очень подходит для производства биоразлагаемого хирургического шовного материала.
Попытки коммерциализации паутины относятся к началу XVIII века: в 1709 году Франсуа Ксавье Бон, работавший в королевской весовой палате, представил Людовику XIV Боне описание преимуществ и утонченности паучьего шелка настолько убедительно, что король поручил Рене Реомюру, автору одной из первых температурных шкал того времени, исследовать потенциал этого сырья. В 1710 году Реомюр раскритиковал идею Бона (хотя он не понимал биологии пауков и их поведения), что затормозило исследования до конца 18 века. Дело в том, что паук (в отличие от шелкопряда) тщательно регулирует количество сбрасываемой им ткани. Более того, все пауки агрессивны и характеризуются сильным территориальным поведением. Поэтому до конца XIX века производство пауков на фермах казалось совершенно нерентабельным делом — в основном потому, что не удавалось найти нужный вид паука. Только после 1888 года на Мадагаскаре было налажено стабильное «производство» паутины рода Nephila; усовершенствовав этот процесс, в 1899 году был получен пятиметровый кусок паучьего шелка. Однако пауки-нефилы не размножаются в неволе и становятся все более редкими в дикой природе, что делает паучий шелк предметом особой роскоши. По ценам 2012 года пара колготок из паутины нефилуса стоила около 25 000 долларов, а паучье платье, пряжа для которого была получена из примерно двух миллионов паучьих веток, выглядело примерно так:
Однако перспективы использования бионических тканей лежат не в мире высокой моды, а в производстве датчиков, гибкой электроники и чувствительных покрытий. Как я уже упоминал в начале этой статьи, ткань оказалась удивительно подходящим «строительным лесом» для нанотрубок и графена.
Графен особенно интересен для производства датчиков по нескольким причинам: отличная теплопроводность, подвижность электронов и механическая гибкость. Кроме того, графен можно легко собирать в различные геометрические формы: Волокна, ленты, листы и аэрогели. Такое разнообразие форм обусловлено пластичностью микроструктуры графена, что позволяет создавать на основе этого вещества электронные схемы, сверхпроводники и носимые датчики. В 2018 году китайские ученые смогли представить модель высокочувствительного проводящего графенового датчика, в котором сочетаются аэрогели и графеновые нити в виде сетки:
Графеновый аэрогель был высушен замораживанием и образовал радиальные нити, а графеновые нити были высушены потоком воздуха и образовали круглые нити. Однако технология также позволяет создавать датчики других форм и производить датчики расстояния, ориентации и положения. На данном этапе уместно рассмотреть сенсорные свойства обычной паутины (т.е. датчика движения и координатной сетки) и обсудить, как они соотносятся со свойствами графена, упомянутыми выше.
Паутина предназначена не только для того, чтобы как можно быстрее поймать и захватить добычу, но и для быстрого предоставления информации о положении добычи в паутине, размере добычи и ее активности. Паук может судить о местонахождении добычи по вибрации нитей, а о размере — по изменению интенсивности нитей. Воспроизведя такую структуру паутины с помощью электропроводящего графенового аэрогеля, исследователи смогли заменить механические сигналы электрическими, передаваемыми через вибрирующую паутину по 11 каналам. Относительное изменение электрического сопротивления было тем больше, чем ближе паук находился к своей добыче.
Таким образом, графеновое полотно можно представить в виде гибкой, решетчатой, пористой структуры. В случае с паутиной, кроме того, это двухмерная координатная решетка, но ничто не мешает ей трансформироваться в трехмерную форму и принять аналог нежной губки. В то же время конфигурация сетки и пор открывает интересные возможности для создания электронной кожи для роботов, которая обладала бы всеми (механическими и электронными) свойствами графеновой паутины. Такие тонкие пористые покрытия могут гораздо лучше и быстрее реагировать на микродвижения, чем обычная кожа, открывая новую страницу в производстве сенсорных датчиков и носимых электронных устройств. Поскольку графеновая паутина может принимать не только спонтанные сигналы из окружающей среды, но и информативные сигналы от пользователя, такая паутина может помочь в управляемой регенерации тканей, включая регенерацию нейронов, а также в малоинвазивной диагностике.
Наконец, я хотел бы отметить, что тема бионических сенсоров очень широка и интересна и затрагивает огромную область исследований, связанных с синтетическими бактериальными биопленками и жидким текстилем, но это уже другая история.
Что такое паутина?
Паутина — это секрет паучьих желез, которые расположены на задней части тела каждого паука. Внутри железы это вещество находится в жидком состоянии, но как только оно вступает в контакт с воздухом, то сразу же застывает в виде волокон. Основным компонентом нити паука является белок имброзин, который придает ей прочность при контакте с воздухом. Считается, что нить паутины во много раз прочнее человеческого волоса той же толщины. У пауков есть различные типы желез, каждая из которых производит определенный тип паутины. Один вид нужен для создания основы для ловушки, другой — для плетения «паутины», третий — для связывания жертвы и так далее.
Паук выпускает паутину из своей паутинной железы
Как плетется паутина?
Основой каждой паучьей ловушки являются поддерживающие нити в количестве 3-4 штук. Это самая сильная часть Интернета. К основанию прикреплены радиальные нити, концы каждой из которых соединены с опорой в виде ветки, листьев растения и т.д. К радиальным нитям паук прикрепляет ловчую катушку, которая является самой липкой частью ловушки. Чтобы не выпустить добычу, хищник быстро подбегает к ней и вводит яд. Эти вещества превращают кишки насекомого в питательную массу, которая легко усваивается пауками.
Как пауки ходят по паутине?
Когда паук наступает на рыболовную сеть, он может легко в нее попасть. Чтобы избежать этого, членистоногие касаются его только кончиками своих ног, которые покрыты множеством волосков — они уменьшают площадь контакта с липкими веществами. Кроме того, концы пауков покрываются небольшим количеством жира, который препятствует прилипанию клея. Когда паутина полностью готова, хищники стараются ходить только по радиальным нитям.
Пауки не запутываются в своей паутине, потому что знают, как правильно по ней ходить.
