При создании паутины пауки используют задние лапы для вытягивания нитей шелка из спинеттов. Этот процесс не ограничивается механическим выделением материала – он значительно улучшает прочностные характеристики волокна за счет выстраивания белковых цепей и образования дополнительного количества водородных связей.
Компьютерное моделирование, разработанное исследователями Северо-Западного университета, показало, что процесс растягивания приводит к выравниванию белковых цепей внутри волокна. В ходе симуляций выявлено, что увеличение числа водородных мостиков между цепями существенно повышает прочность, упругость и общую твердость шелковых нитей.
Синан Кетен, профессор инженерии, отметил: «Исследователи уже знали, что растяжение, или процесс вытягивания, необходимо для создания действительно прочных волокон... Но никто не знал, почему. Благодаря нашему вычислительному методу можно проследить, что происходит на наноуровне.» Его слова подтверждают важность контроля над микроструктурой для улучшения свойств материала.
Первый автор исследования, Якоб Грэм, аспирант, подчеркнул: «Пауки естественным образом выполняют процесс вытягивания... Это делает нить невероятно прочной и эластичной. Мы обнаружили, что механические свойства волокна можно регулировать, изменяя степень растяжения. Если не растягивать материал, белки складываются в сферические комки, а растягивание превращает их в взаимосвязанную сеть.» Эти наблюдения внесли ясность в механизм усиления шелка.
Лабораторные эксперименты с искусственно созданным паучьим шелком подтвердили результаты расчетных моделей. С применением спектроскопии и испытаний на растяжение установлено, что при увеличении длины волокна до шести раз исходной структура белков переходит от неорганизованных сферических образований к плотной взаимосвязанной сети.
Результаты исследований имеют большое значение для создания новых материалов. Паучий шелк, прочнее стали и в то же время устойчивее к деформациям, сочетает в себе эластичность резины с биоразлагаемостью, что открывает возможности его применения в медицинских изделиях – от хирургических швов до клеевых составов для закрытия ран и даже в создании бронежилетов.
Молекулярная динамика, реализованная в компьютерном эксперименте, выявила, что растяжение не только организует белковые цепи, но и усиливает межмолекулярное взаимодействие за счет увеличения числа водородных связей. Эти микроскопические изменения являются ключевыми для формирования высокопрочных и эластичных волокон.
Фужонг Чжан, профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, занимавшийся инженерией микроорганизмов для производства искусственного шелка, внес значительный вклад в понимание процесса. Он разрабатывал способы экструзии специально созданных белков и их ручного растягивания, имитируя нити золотой паутины, что позволило получить материал с свойства прочности, аналогичными природному образцу.
Опубликованное в Science Advances исследование подтверждает, что даже небольшие изменения в методике вытягивания существенно влияют на механические характеристики паучьего шелка. Сопоставление экспериментальных данных с компьютерными моделями демонстрирует, что контроль над выравниванием белковых цепей и числом водородных связей является определяющим фактором в создании перспективных материалов на основе природного дизайна.
Изображение носит иллюстративный характер
Компьютерное моделирование, разработанное исследователями Северо-Западного университета, показало, что процесс растягивания приводит к выравниванию белковых цепей внутри волокна. В ходе симуляций выявлено, что увеличение числа водородных мостиков между цепями существенно повышает прочность, упругость и общую твердость шелковых нитей.
Синан Кетен, профессор инженерии, отметил: «Исследователи уже знали, что растяжение, или процесс вытягивания, необходимо для создания действительно прочных волокон... Но никто не знал, почему. Благодаря нашему вычислительному методу можно проследить, что происходит на наноуровне.» Его слова подтверждают важность контроля над микроструктурой для улучшения свойств материала.
Первый автор исследования, Якоб Грэм, аспирант, подчеркнул: «Пауки естественным образом выполняют процесс вытягивания... Это делает нить невероятно прочной и эластичной. Мы обнаружили, что механические свойства волокна можно регулировать, изменяя степень растяжения. Если не растягивать материал, белки складываются в сферические комки, а растягивание превращает их в взаимосвязанную сеть.» Эти наблюдения внесли ясность в механизм усиления шелка.
Лабораторные эксперименты с искусственно созданным паучьим шелком подтвердили результаты расчетных моделей. С применением спектроскопии и испытаний на растяжение установлено, что при увеличении длины волокна до шести раз исходной структура белков переходит от неорганизованных сферических образований к плотной взаимосвязанной сети.
Результаты исследований имеют большое значение для создания новых материалов. Паучий шелк, прочнее стали и в то же время устойчивее к деформациям, сочетает в себе эластичность резины с биоразлагаемостью, что открывает возможности его применения в медицинских изделиях – от хирургических швов до клеевых составов для закрытия ран и даже в создании бронежилетов.
Молекулярная динамика, реализованная в компьютерном эксперименте, выявила, что растяжение не только организует белковые цепи, но и усиливает межмолекулярное взаимодействие за счет увеличения числа водородных связей. Эти микроскопические изменения являются ключевыми для формирования высокопрочных и эластичных волокон.
Фужонг Чжан, профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, занимавшийся инженерией микроорганизмов для производства искусственного шелка, внес значительный вклад в понимание процесса. Он разрабатывал способы экструзии специально созданных белков и их ручного растягивания, имитируя нити золотой паутины, что позволило получить материал с свойства прочности, аналогичными природному образцу.
Опубликованное в Science Advances исследование подтверждает, что даже небольшие изменения в методике вытягивания существенно влияют на механические характеристики паучьего шелка. Сопоставление экспериментальных данных с компьютерными моделями демонстрирует, что контроль над выравниванием белковых цепей и числом водородных связей является определяющим фактором в создании перспективных материалов на основе природного дизайна.
