Мидии научили химиков делать жесткие растягиваемые нити

Мидия, которая держится на субстрате с помощью биссусных нитей

Wikimedia commons

Химикам удалось разработать новый тип сверхпрочных упругих нитей, которые могут обратимо растягиваться на 30 процентов, при этом сохраняя высокую жесткость и прочность на разрыв. В качестве прообраза таких материалов ученые использовали биссусные нити, которые некоторые двустворчатые моллюски используют для закрепления на поверхности. Результаты исследования опубликованы в Science.

Для закрепления на субстрате многие двустворчатые моллюски, например мидии, используют биссус — белковые нити, которые выделяются специальными железами в жидкой форме и затвердевают при контакте с водой. Такая нить состоит из цилиндрического коллагенового ядра, которое покрыто белковой кутикулой. Структура и химический состав таких нитей придают им уникальные механические свойства: они являются одновременно очень прочными и упругими.

Создание искусственных полимерных нитей с аналогичными свойствами все еще остается актуальной задачей, и как правило, одним из двух параметров — способностью растягиваться или жесткостью и максимальной нагрузкой, — приходится жертвовать. На сегодняшний день предложено достаточно большое количество различных механизмов, по которым полимерные нити могут улучшать свои механические параметры за счет электростатического взаимодействия, образования водородных связей, или формирования сложной структуры сшивок внутри волокна, но ни один из них не дал ожидаемого результата.

В своей новой работе химики из США и Германии синтезировали нити, прообразом которых были биссусные нити калифорнийской и черноморской мидий. К уникальным механическим свойствам их белков приводит взаимодействие иона железа Fe3+ c аминокислотой, содержащей пирокатехин: бензольное кольцо с двумя гидроксильным группами у соседних атомов углерода. Раньше ученые уже пытались использовать такие комплексы для создания искусственных нитей, но опыты проводили в водных условиях, и взаимодействие с водой приводило к ослаблению связей и ухудшению механических свойств.

Авторы данной работы решили сделать сухую нить, в которой наличие комплексов между пирокатехином и ионом железа может привести к упрочнению и повышению упругости. Основу полимерной структуры нити составили цепочки полиэтиленгликоля, в которую вводились ароматические группы необходимой структуры. Гидролиз приводил к образованию пирокатехиновых групп, после чего в структуру вводились ионы железа. Каждый из ионов образовывал химический комплекс с тремя такими группами, координируя вокруг себя шесть атомов кислорода. Анализ структуры полученной нити показал, что среднее расстояние межу ближайшими ионами железа составило около 9 нанометров.

Полученную таким образом нить исследователи высушивали, после чего измеряли ее механические характеристики. Полученные данные сравнивали для нитей содержащих ионы железа и полностью аналогичных материалов, но без железа. Оказалось, что добавление ионов железа в структуру значительно повышает как упругость, так и прочность нити при растяжении. Так, коэффициент упругости при добавлении железа вырос сразу в 770 раз и составил 184 мегапаскаля, а прочность на разрыв увеличилась примерно в 60 раз до значения 22 мегапаскаля. Такой эффект ученые объясняют обратимой реакцией образования комплексов между железом и пирокатехиновыми группами, которая приводит к возникновению жестких нанодоменов, увеличивающих жесткость нити.

Кроме того, при растяжениях до 30 процентов такая нить ведет себя как абсолютно упругая и полностью восстанавливает свою начальную длину после снятия нагрузки. При бо́льших деформациях химическая структура нити начинает перестраиваться, что приводит к возникновению остаточных деформаций.

Ученые отмечают, что влажность или окислительные условия могут заметно ухудшить механические свойства предложенного материала, тем не менее в условиях малой влажности использование таких полимерных нитей для различных механических приложений представляется весьма перспективными.

Ранее химики из Университета Калифории раскрыли молекулярный механизм, благодаря которому мидии и другие моллюски могут прикрепляться к камням в соленой воде. Эта способность оказалась связана с выработкой специальных белков, содержащих одновременно два типа аминокислот: тех, что обеспечивают связывание с поверхностью и тех, что расчищают эту поверхность для связывания.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.