Паучий шелк оказался естественным фильтром фононов

Паучий шелк представляет собой иерархическую белковую структуру, компоненты которой формируют листы и кристаллы. Последние связаны между собой аморфными цепочками, обеспечивающими растягивание паутины без нарушения целостности. Также паучий шелк способен передавать широкий спектр звуков и вибраций, предполагается, что таким образом животные взаимодействуют между собой и определяют наличие в паутине пищи. В новом исследовании ученые обнаружили способность шелка гасить отдельные звуковые волны в зависимости от натяжения волокна.

Акустические показатели паутины авторы проанализировали с помощью метода бриллюэновской рефлектометрии. Технология позволила генерировать фононы посредством света, поглощать их, а также наблюдать за их перемещением внутри объекта. Результаты показали, что скорость проводимости фононов на коротком волокне на 15% ниже, чем обычно, при этом ширина фононных частот, которые могли быть заблокированы, выросла на треть. При натяжении паутины скорость фононов повышалась на 27%, а диапазон блокировки снижался на 33%. Стандартная «запрещенная зона» шелка находилась в районе 14,8 гигагерц, ее ширина составляла около 5,2 гигагерц.

«Фононные кристаллы позволяют манипулировать звуком, и если вы получите звуковую волну достаточно малую и высокочастотную, то сгенерируете тепло. Если вы в состоянии управлять потоками тепла или глушить их, сможете и создать теплоизолятор, которого прежде не существовало», — сообщил соавтор работы Эдвин Томас.

По его словам, находка может лечь в основу перестраиваемых метаматериалов, например фононных волноводов и новых систем тепло- и звукоизоляции. Томас отметил, что их исследование помогло впервые открыть «сверхзвуковую запрещенную зону в биологическом материале».

Фонон — квазичастица с нулевым спином, представляющая собой квант колебательного движения, или звуковых волн, атомов кристалла. Посредством фононов, в частности, описывается механизм распространения тепла в твердых телах на атомарном уровне.

Ширина запрещенной зоны — термин из физики твердого тела, связанный с электрическими свойствами объектов и применяемый, например, к металлам и полупроводникам. Под шириной запрещенной зоны понимается минимальная энергия, необходимая для перехода электрода из валентной зоны в зону проводимости.