Химики объяснили эффективность ремонта перьев во время купания

T. N. Sullivan et al./ Advanced Functional Materials, 2018

Американские химики объяснили механизм восстановления формы и механических свойств поврежденных птичьих перьев в воде. Оказалось, что при гидратации пера в аморфную часть стержня впитывается вода, которая приводит к набуханию полимера, распрямлению кератиновых волокон и восстановлению начальной формы. За счет такого механизма перу удается вернуть до 80 процентов от своих начальных прочности и жесткости, пишут ученые в Advanced Functional Materials.

Основу любого птичьего пера составляет стержень, нижняя полая часть которого — очин — служит для закрепления пера в коже птицы, а более тонкая и длинная верхняя часть несет на себе опахало, состоящее из разветвленной структуры бородок, бородочек и крючочков. Очин отличается от остальной части стержня: он имеет значительно более тонкие стенки и эллиптический в сечении, тогда как в месте крепления опахала сечение стержня становится прямоугольным, а его структура — более плотной и твердой. Перо полностью состоит из β-кератина — белка, представляющего собой зигзагообразные полипептидные цепи, связанные между собой водородными связями. Эти белки объединяются в длинные нитеобразные структуры диаметром в несколько сотен нанометров, из которых затем формируются микрометровые волокна, связанные в прочные пластины. Для связи отдельных нитей и волокон между собой в материале стержня пера используется аморфная пористая матрица из того же β-кератина.

Известно, что механические свойства β-кератина довольно сильно зависят от влажности, и недавно ученые обнаружили, что в водной среде деформированное перо может восстанавливать свою форму и возвращает себе начальные механические свойства — жесткость и прочность. Американские химики под руководством Марка Мейерса (Marc A. Meyers) из Калифорнийского университета в Сан-Диего внимательно изучили механизм такого восстановления и обнаружили, что к возвращению перу его изначальных формы и свойств в результате гидратации и последующего высушивания приводит впитывание воды в аморфную кератиновую матрицу.

В своей работе ученые исследовали перья капского грифа (Gyps coprotheres) — достаточно длинные, чтобы можно было исследовать механические характеристики его отдельных участков. Оказалось, что гидратация пера (с последующим высушиванием) позволяет примерно в два раза увеличить жесткость и твердость всех поврежденных участков стержня пера (и очина, и той части, на которой крепится опахало), подняв их в среднем с 40 процентов до 80 относительно начальных значений. При этом большая часть свойств восстанавливается таким образом и после многократных повреждений. Единственное исключение — это прочность наружной части стержня, которая содержит больший процент аморфного кератина: после первого повреждения она восстанавливается на 80 процентов относительно своего начального значения, а после пятого — только на 56 процентов.

Механизм восстановления формы в воде оказался похож на те процессы, которые происходят с композитными полимерными материалами с эффектом памяти. Во влажных условиях вода поглощается только аморфной кератиновой матрицей, в результате чего она размягчается, разбухает и распрямляет «погнутые» нановолокна, возвращая их в исходное состояние. При этом перу возвращаются и его механические характеристики, потерянные в результате повреждения. Стоит отметить, что масса впитавшейся воды составляет всего около полупроцента от массы всего пера, однако этого оказывается достаточно для полного восстановления формы.

Чтобы показать, что такой механизм действительно возможен не только с точки зрения физико-химических процессов, связанных с набуханием аморфных полимерных компонентов пера, но и с механической точки зрения, процесс изменения формы стержня пера ученые также подтвердили компьютерным моделированием с использованием метода конечных элементов.

По словам авторов работы, понимание механизма залечивания механических повреждений в природных материалах в будущем может помочь при разработке искусственных материалов, способных самостоятельно восстанавливаться после частичного разрушения при увеличении влажности или в ответ на другие изменения внешних условий.

Сложная структура птичьего пера не только придает перу нужные механические свойства, но может сильно влиять и, например, на его оптические свойства. В частности, недавно ученые обнаружили, что именно разветвленная структура пера некоторых райских птиц с дополнительной микротекстурой на поверхности бородочек, позволяет этим перьям поглощать практически весь свет в видимом диапазоне и быть еще чернее, чем большинство других черных перьев.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.