Титан упрочил паутину

По легенде, у Людовика XIV и Наполеона были перчатки, сделанные из паутины, а стареющей британской королеве Виктории китайское посольство преподнесло целую мантию из такого материала. Трудно сказать, насколько этим утверждениям можно верить, и какую долю в этих тканях на деле составляла паучья нить, но смысл во всём этом есть. В подходящих условиях паутинка может выдержать натяжение, в несколько раз большее, чем максимальное натяжение стальной нити того же диаметра, будучи при том в несколько раз легче. Например, паутинка толщиной в 1 мм должна, по идее, удерживать человека; как тут не порадоваться, что пауки не плетут такой паутины.

Про специфические условия, наличие более прочных сортов стали и то обстоятельство, что паутинка при этом растянется на 20–30%, при таком сравнении обычно не упоминают. И тем не менее эластичность, прочность и лёгкость паутины заставляют многих инженеров мечтать о создании подобного ей синтетического материала – или хотя бы научиться производить натуральную паутину в промышленных масштабах. Более того, такие опыты есть: выведены козы, в ДНК которых есть гены паучьей паутины, а в молоке оказывается большое количество таких белков – правда, в не сплетённой в нить форме.

Теперь группа немецких физиков и химиков под руководством Ли Сын Мо из Института физики микроструктур имени Макса Планка показала, что паутину можно сделать ещё крепче и эластичнее.

Особая обработка превращает натуральную паутину в супернить, которая прочнее в 5 раз и «растяжимее» втрое.

Супернить толщиной в 1 мм сможет выдержать уже с полтонны, она растягивается в полтора-два раза и обладает почти той же плотностью. Технология такой обработки описана в статье, опубликованной в последнем номере Science.

Учёные попробовали получить очередное подтверждение гипотезе, что свою силу особо прочные биологические материалы – зубная эмаль, клешни, элементы скелета, жала некоторых организмов – черпают из сравнительно небольших неорганических включений в белковой матрице. Вместо того, чтобы строить бесконечные графики корреляции параметров прочности с количеством металла в белке, Ли Сын Мо и его коллеги решили напрямую сравнить, как будет отличаться паучья нить, в которой мало металла, от паучьей нити, в которой его много.

Паутинку учёные добыли при помощи паука рода Araneus, наматывая её на медную скрепку. Аранеусы – близкие родственники знакомого нам всем паука-крестовика, в их число входит и он сам. Какой вид аранеусов использовался, не уточняется, но поскольку поймали его физики прямо во дворе своего института в Галле, в центре Европы, вряд ли это был экзотический экземпляр.

Полученные от паука нити экспериментаторы поместили в вакуумную камеру. Здесь их высушили и подвергли многократным циклам осаждения на поверхность паутинок металлических соединений, перемежавшихся выдерживанием в парах воды. Поначалу в качестве такого соединения использовался диэтилцинк Zn(C₂H₅)₂, поскольку цинк гарантированно работает «усилителем прочности» хотя бы у одного вида – он отвечает за необычайную крепость зубов многощетинковых червей нереид, которые легко грызут коралловые скелеты. Затем к цинку добавили алюминий в форме триметилалюминия Al(CH₃)₃ и известный своей прочностью титан (IV) в форме Ti(OCH(CH₃)₂)₄.

После нескольких сот таких циклов (каждый продолжительностью 1–2 минуты) на поверхности паутинки оставалась тонкая плёнка оксида – цинка, алюминия или титана соответственно. И механические показатели – что исходный модуль Юнга, что предел прочности, – резко увеличивались. Лучше всех себя показал титан, и в целом, чем больше циклов металл/вода было, тем лучше был результат (хотя кривая зависимости механического напряжения от относительного растяжения вела себя затейливо).

Можно было бы подумать, конечно, что лишнюю силу паутине дало внешнее покрытие, однако это не так:

за улучшение прочности и эластичности отвечают атомы металла, проникшие в белковую структуру самой паутины.

Само по себе оксидное покрытие большого выигрыша не давало (например, оно не растягивается даже на 1%), да и от толщины его слоя механические характеристики зависели слабо. А вот зафиксировать следы титана внутри самой нити учёным удалось с помощью спектрометрии и электронного микроскопа.

Как оказалось, важным был и сам процесс внедрения металла в белок – даже полноценное вымачивание нитей в течение 10 часов в диэтилцинке и ему подобным не давало результата, хоть сколько-нибудь сравнимого с многократными циклами осаждения металла и воды.

Ли Сын Мо и его коллеги полагают, что атомы металлов помогают «склеивать» отдельные белковые молекулы, из которых состоит паучья нить. В натуральной паутине эту работу выполняют слабые водородные связи между атомами на концах параллельных друг другу молекул; именно обилие таких взаимозаменяемых связей и даёт паутине её силу.

В «металлизированной» паутине вместо слабых водородных устанавливаются сильные ковалентные связи, полагают немецкие учёные, что и придаёт дополнительную прочность.

Роль водяного пара в этом процессе – «размочить» белковые структуры, чтобы атомы металла могли проникнуть внутрь. Как признают учёные, рассуждения о ковалентных связях – лишь гипотеза, для проверки которой потребуется ещё немало экспериментов.

С практической точки зрения, впрочем, всё равно, подтвердится ли конкретно эта гипотеза. Если мы когда-нибудь научимся в промышленных масштабах плести прочную паучью нить – с помощью ли трансгенных козлов или благодаря химическому синтезу – мы уже знаем, как сделать её ещё во много раз прочнее.