Влажность заставила паутину самопроизвольно крутиться

Исследователи из Китая, Великобритании, США и Сингапура обнаружили, что нити из паучьего шелка скручиваются под действием окружающей влажности. Ученые исследовали эти свойства и механизм влияния влажности на деформацию, а также предложили использовать этот эффект в качестве движущей силы актуаторов, сообщается в статье, опубликованной в Science Advances.

Паутина представляет собой белковый композитный материал, привлекающий ученых благодаря набору необычных свойств — к примеру, прочность на разрыв у таких нитей сопоставима с некоторыми марками стали. Помимо высоких количественных свойств паучий шелк обладает и другими необычными свойствами. Так, в 2016 году европейские физики выяснили механизм постоянного натяжения паутины. Оказалось, что при сжатии нить наматывается на капли клейкой жидкости и благодаря этому сохраняет натяжение. Также известно, что паутина реагирует на повышение влажности окружающего воздуха, самопроизвольно сокращаясь в длине до двух раз. Считается, что в основе такой реакции лежит разрушение водородных связей в белках под действием большого количества воды.

Группа исследователей под руководством Маркуса Бюхлера (Markus Buehler) из Массачусетского технологического института обнаружила, что похожий механизм приводит не только к сжатию нити, но и к ее самопроизвольному скручиванию. В качестве материалов для экспериментов ученые взяли паутину от пауков кругопрядов-нефилов, в частности, видов Nephila pilipes, Nephila edulis и Argiope versicolor. Во время экспериментов исследователи подвешивали на нити кольцевой индикатор вращения и устанавливали нить внутри камеры с регулируемой влажностью.

Эксперименты показали, что нити вращаются под действием влажности, причем авторы обнаружили порог начала вращения. Для нити паука N. pilipes минимальная относительная влажность, необходимая для вращения, составила 68 процентов, а для нити A. versicolor критический уровень составляет 70 процентов. Измерения после экспериментов показали, что для первой нити величина кручения под действием влажности составляет 255 градусов на миллиметр длины нити. Для второй нити эта величина составила 127 градусов на миллиметр. Исследования микроструктуры показали, что поверхность нитей становится сильно более шероховатой после кручения.

После экспериментов ученые провели компьютерное моделирование поведения обоих основных белков паутины — спидроина 1 и 2. Моделирование показало, что в спидроине 1 на молекулярном уровне наблюдается поворот элементов из-за разрушения водородных связей, но эти повороты чередуются и в результате общего закручивания молекулы белка почти не происходит. В спидроине 2 исследователи увидели обратную картину с согласованным поворотом в одну сторону. Авторы предполагают, что эффект согласованного поворота вызван присутствием в спидроине 2 большого количества пролина. Ученые отмечают, что они рассматривали механизм поворота на молекулярном уровне, но не исследовали вклад механизмов, действующих на большем масштабе.

В прошлом году ученые получили искусственную паутину, состоящую из рекордно длинных молекул спидроина с молекулярной массой более 500 килодальтон. Нить, состоящая из таких молекул, оказалась не хуже настоящей паутины по величине прочности на разрыв, растяжимости и жесткости.

Григорий Копиев