Немецкие ученые нашли способ значительно увеличить прочность и эластичность волокон паутины – материала, который и без того по праву считается одним из рекордсменов механических свойств. Новое изобретение, по мнению ученых, представляет собой хорошую базу для разработки сверхпрочного текстиля, хирургических нитей, материалов для изготовления имплантов опорно-двигательного аппарата, а также легких и прочных корпусов летательных аппаратов.

Паутина, или паучий шелк – это один из изумляющих примеров материалов, создаваемых природой и проявляющих исключительные физические свойства. Ее прочность в пересчете на один квадратный миллиметр сечения позволяет выдержать 260 кг, она прочнее и намного легче стали. И все же ученые предприняли попытку превзойти природные показатели этого материала.

С помощью метода атомно-слоевой эпитаксии (atomic layer deposition, ALD) в структуру волокон были внедрены атомы металлов: цинка, титана и алюминия. Идея такого подхода была также позаимствована у природы: как известно, насекомые и некоторые другие организмы в составе прочных тканей ротового аппарата и когтей имеют существенные включения металлов, таких как цинк, марганец и медь.

Обработка волокон по классической методике ALD с образованием оксидов металлов на поверхности не привела к существенному упрочнению материала. Тогда, несколько изменив методику, ученым удалось добиться проникновения ионов металлов внутрь волокна, а также встраивания металла в его белковую структуру. Такой паучий шелк стал в 10 раз более прочным, и существенно эластичнее исходного природного материала.

Точный механизм полученного эффекта ученым еще не известен. В то же время наиболее вероятным объяснением может служить гипотеза о том, что атомы металла заменяют водородные связи между белками, формируя более прочные взаимодействия в волокнах.

Результаты этого исследования, проведенного в Институте Микроструктурной Физики Макса Планка (Max Planck Institute of Microstructure Physics, Германия), были благосклонно встречены научным сообществом и опубликованы в журнале Science. Ученые видят высокий потенциал нового метода упрочнения и повышения эластичности как конструкционных, так и биоматериалов. Работа затрагивает в первую очередь белковые структуры – уже появились идеи применить новый метод к коллагеновым волокнам – важным элементам костной ткани и кожи.

Безусловно, создание технологии получения промышленного количества высокопрочных материалов на основе природного паучьего шелка не входит в планы исследователей, однако тенденции применения нового подхода к упрочнению различных материалов, таких как искусственные кости и сухожилия, конструкционные материалы для авиа- и космических летательных аппаратов подразумевают высокую технологическую значимость открытия.

Мария Костюкова