При создании своих летательных аппаратов братья Райт вдохновлялись крыльями птиц. Предлагаем узнать, как ученые и инженеры создают очень прочные материалы и как им в этом помогает природа.
Паутина черной вдовы
Паутина паука черной вдовы очень прочная, упругая, легкая и запросто разлагается в естественных условиях. Получение подобного вещества в лаборатории помогло бы создать высокопрочные ткани и стройматериалы, экологически чистую замену пластику, а также материалы, которые можно использовать в медицинских целях. Первичная последовательность аминокислот, из которых состоят белки, а также структура паутины давно известны науке. Однако предыдущие попытки воспроизвести процесс прядения паутины не увенчались успехом: синтетические волокна не были так же прочны, как паутина черной вдовы.
Исследователи из Северо-Западного университета и Университета Сан-Диего (SDSU)
изучили, как черная вдова превращает белки в сверхпрочные волокна, из которых состоит паутина. Согласно более ранним исследованиям, прежде чем отправиться в прядильный аппарат паука, белок представляет собой простые сферические мицеллы — комплекс водорастворимых и нерастворимых молекул. Но все еще было неясно, что происходит на наноуровне в прядильном аппарате, как именно осуществляется процесс хранения, трансформации и транспортировки белков, превращающихся потом в нити паутины. Применяя технологию спектроскопии ядерного магнитного резонанса и электронной микроскопии, ученые заглянули внутрь белковой железы и обнаружили там более иерархически сложный комплекс белка, чем предполагалось ранее. Таким образом, паутина скручена из сложноорганизованного белкового комплекса диаметром от 200 до 500 нанометров, а не из сферических частиц. Если воспроизвести этот же комплекс в лаборатории, ученые смогут получить высокопрочную ткань, строительные материалы, экологически чистую замену пластику, а также материалы, которые можно использовать в медицинских целях.
Раковины моллюсков
Раковины — это прочная природная броня, которая защищает моллюска от внешней среды. Многие надежные конструкции в природе созданы из очень хрупких материалов, однако то, как эти материалы организованы, играет решающую роль. Несмотря на то что сами по себе раковины состоят из хрупкого материала, они очень ударопрочные. Ученые и инженеры из Массачусетского технологического института попытались воспроизвести структуру раковины моллюска-стромбиды с помощью 3D-печати. Прочность раковины обусловлена уникальной конфигурацией, основанной на трех разных уровнях иерархии во внутренней структуре материала. Трехуровневая структура сильно затрудняет распространение и увеличение крошечных трещин. Материал имеет зигзагообразную матрицу, поэтому трещина должна пройти через своего рода лабиринт, прежде чем увеличиться в размерах. Как объясняют исследователи, чем точнее они следовали природной конфигурации, тем прочнее получался материал.
Эту рыбу, обитающую на территории южных штатов США, непросто убить из-за ее плотной чешуи. Этот покров довольно тяжелый, поэтому панцирник плавает не очень быстро. Зато он является хорошей защитой: чтобы распилить чешую панцирника, приходится использовать пилу. Естественная броня рыбы вдохновляет ученых и инженеров на создание гибких и прочных материалов, которые способны противостоять проколам и разрывам. Команда инженеров из Канады, пытаясь создать искусственную чешую из пластика с помощью 3D-печати,
экспериментировала с размерами, формой и расстоянием и обнаружила, что наиболее прочным является материал, параметры которого близки к естественным. Сейчас они работают над керамической чешуей, которую можно применять, например, при создании перчаток, устойчивых к разрезам.
