Паучий шелк, уже известный как один из самых прочных материалов со своим весом, обладает еще одним необычным свойством, которое может привести к появлению новых видов искусственных мышц или роботизированных приводов, обнаружили ученые. Эластичные волокна, как выяснилось, очень сильно реагируют на изменения влажности.

Выше определенного уровня относительной влажности воздуха они внезапно сжимаются и скручиваются, прилагая достаточную силу, чтобы конкурировать с другими материалами, которые исследуются в качестве актуаторов — то есть, устройств, которые двигаются для осуществления некой активности, вроде управления клапаном. Результаты работы были представлены в журнале Science Advances в работе профессора MIT Маркуса Бюлера.

Паутина — прочнейший материал

Исследователи не так давно обнаружили удивительное свойство паучьего шелка под названием суперсжимаемость, когда тонкие волокна могут внезапно сжиматься в ответ на изменение влажности. Новый вывод заключается в том, что нити не только сжимаются, но и скручиваются одновременно, создавая сильную скручивающую силу.

«Это новое явление», – говорит Бюлер.

Мы обнаружили это случайно, – подтверждают его коллеги. – Мы хотели изучить влияние влажности на драглайн паучьего шелка».

Для этого они подвесили груз на шелк, чтобы создать своего рода маятник, и поместили его в камеру, где могли контролировать относительную влажность внутри.

«Когда мы увеличили влажность, маятник начал вращаться. Этого мы не ожидали».

Команда проверила ряд других материалов, в том числе человеческие волосы, но не обнаружила таких скручивающих движений в других экспериментах. Однако первое явление уже попытались применить (в теории) к искусственным мышцам.

«Это может быть очень интересно для сообщества робототехники, – говорит Бюлер, имея в виду новый способ управления определенными типами датчиков или контрольных устройств. – Можно манипулировать движениями очень точно, контролируя влажность».

Паучий шелк уже известен своим исключительным соотношением прочности и веса, своей гибкостью и упругостью. Несколько групп ученых по всему миру работают над тем, чтобы воспроизвести эти свойства в синтетической версии волокон на основе белка.

Хотя назначение этой скручивающей силы, с точки зрения паука, неизвестно, ученые считают, что суперсжимаемость в ответ на влагу может быть способом убедиться, что сеть натянута, когда на ней выступает утренняя роса, которая может повредить ее и снизить восприимчивость к вибрации, за счет которой паук чувствует свою добычу.

«Мы не нашли никакого биологического смысла в этом скручивающем движении,– говорит Бюлер.

Но благодаря комбинации лабораторных экспериментов и молекулярного моделирования с помощью компьютера они смогли определить, как работает механизм скручивания. Оказывается, он основан на сворачивании определенного вида строительного белка, называемого пролином. Исследование этого основного механизма потребовало детального молекулярного моделирования.

«Мы попытались найти молекулярный механизм того, что наши коллеги обнаружили в лаборатории. И мы действительно нашли потенциальный механизм, основанный на пролине».

Они показали, что именно структура пролина приводит к скручиванию в моделировании.

Драглайн паутины — это белковое волокно. Он состоит из двух основных белков, MaSp1 и MaSp2. Пролин, необходимый для реакции скручивания, нашли в MaSp2, и когда молекулы воды взаимодействуют с ним, они разрушают его водородные связи асимметрично, что вызывает кручение. Вращение происходит только в одном направлении и при относительной влажности в 70%.

«Белок имеет встроенную симметрию вращения, – говорит Бюлер. – И благодаря его силе кручения, он делает возможным «целый новый класс материалов».

Возможно, его получится воспроизвести в синтетическом материале и создать новый полимерный материал, который повторял бы это поведение.

Уникальная способность шелка подвергаться суперсжатию и проявлять вращательное поведение в ответ на внешние триггеры, такие как влажность, может быть использована для разработки чувствительных материалов на основе шелка, которые можно будет точно настроить на наноуровне. Потенциальные области применения разнообразны: от мягких роботов и датчиков влажности до умных тканей и генераторов экологически чистой энергии.