Молекулярная структура защитила паутину от закручивания

Паутина представляет собой секрет, который после выделения из паутинных бородавок застывает в форме нитей толщиной несколько микрометров. Несмотря на это, последние обладают чрезвычайно высокой прочностью на разрыв — около 1,3 гигапаскаля, что сопоставимо с показателем железа. На молекулярном уровне это обеспечивается деформацией структуры белка, который формирует β-листы, скрепленные аморфными цепями. Помимо прочности паутина отличается другими свойствами, в частности теплопроводностью и натяжением — в спиралевидных нитях оно сохраняется благодаря сматыванию в расположенных на них каплях клейкой жидкости. Менее ясно, как нить сопротивляется скручиванию.

В отличие от паутины, например, металлическая нить с подвешенным на нее предметом начинает покачиваться даже в результате незначительного механического воздействия. В основе этого явления лежит действие упругих сил со стороны нити: после приведения в движение они стремятся восстановить баланс, сократив угол закручивания до нуля. Паутина же не только имеет память формы и выдерживает сравнительно высокое кручение до разрушения, но и в естественных условиях не демонстрирует его признаков. В моменты спуска на нити пауки не выглядят так, как должны при условии хаотичного кручения. При этом теоретически для такой деформации достаточно колебаний воздуха.

Чтобы прояснить механизм, специалисты из Уханьского университета, Лондонского университета королевы Марии и других учреждений провели серию экспериментов. Для этого они использовали крутильный маятник — механическую систему с чрезвычайной чувствительностью (позволяет оценивать в том числе гравитационное взаимодействие). Авторы подвешивали груз к волосу, паутине, металлической или углеродной нити и, установив его в равновесии, поворачивали на заданный угол. Наблюдения показали, что нити из контрольных материалов начинали колебаться даже при углах закручивания в 250 градусов. Тогда как паутина уже на 20 градусах необратимо деформировалась.

После деформации нить из паутины продолжала колебаться вокруг нового положения равновесия — в результате амплитуда колебаний резко снижалась, рассеивая свыше 75 процентов энергии кручения. По мнению исследователей, эффект обусловлен структурой паутины. В момент закручивания упругая деформация возникает только в β-листах, при этом в связывающих их цепях такой деформации не происходит. Изменение их геометрии может объяснить рассеяние энергии и уменьшение колебаний. Одновременно β-листы поддерживают саму форму нитей. В будущем синтетические аналоги паутины могут использоваться, например, при проведении спасательных работ.

Подробности исследования представлены в журнале Applied Physics Letters.

Ранее ученые обнаружили, что паутина является первым природным материалом, фононную запрещенную зону в котором можно регулировать посредством натяжения.