Пауки – мастера нанопроизводства
 Паутина - одна из удивительных биологических субстанций. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Паутина представляет собой выделения особых желез паукообразных и губоногих многоножек, застывающие в форме нитей. С химической точки зрения – это сочетание нескольких белков; и не зря паутину иногда сравнивают с шелком, ведь по химическому составу эти вещества весьма похожи. Внутри желез паутина существует в жидкой форме, но после выхода в окружающую среду структура белка меняется и нити застывают.
О необычайной прочности паутины известно достаточно давно. Коконы, в которые пауки заматывают свою добычу, по прочности превосходят качественную сталь. При этом до сих пор было не понятно, как податливость форм в этом веществе сочетается со столь высокой прочностью.
Группа исследователей из Massachusetts Institute of Technology и Pohang University of Science and Technology (США и Корея) нашла способ объяснить этот процесс численно. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Nature Materials.
Известно, что среди белков, входящих в состав паутины, есть и те, что формируют тонкие плоские кристаллы, называемые бета-листами. Эти кристаллы связаны друг с другом водородными связями, которые, как известно, представляют собой один из самых слабых видов химических связей. Водородная связь намного слабее ковалентной, присутствующей в большинстве органических молекул. Однако, расчеты показали, что сложенные вместе бета-листы, позволяют паутине быть чрезвычайно прочной, несмотря на легко разрушаемые связи.
Расчеты, проведенные исследователями, были подтверждены при помощи ряда компьютерных симуляций. Более того, численные эксперименты показали, что итоговая прочность паутины зависит от размеров бета-листов, входящих в ее состав. Максимум прочности достигается при размерах порядка 3 нм. Но, стоит кристаллам вырасти более 5 нм, как паутина становится слабой и ломкой. К слову, присутствие именно водородных связей в формируемых нитях позволяет паукам легко «ремонтировать» бреши в своей паутине. В случае ковалентной связи (как, например, в стекле), разрывы были бы катастрофическими для всей конструкции.
Результаты исследований могут быть полезны не только в биологии для понимания процессов, происходящих в природе, но также и для развития технологий защитных покрытий. Молекулярные конструкции, аналогичные паутине, могли бы стать основой не ядовитых покрытий, например, для автомобилей или хирургического оборудования. Кроме того, исследователи обеспечили научный мир базовыми знаниями для создания принципиально новых материалов, обладающих прочностью и гибкостью паутины. Ученые уже предполагают, что основой для таких материалов могли бы стать не белковые бета-листы, а, например, углеродные нанотрубки.
Однако, опубликованная работа – это только первый шаг в данном направлении исследований.
Также по теме:
Источники: