Ученые разгадали секрет прочности шелка

 Несмотря на то, что прочность шелка, превышающая даже прочность стали, была давно известна ученым, они до сих пор не могли понять, каким именно образом этому биологическому материалу удается сохранять свои свойства даже при сильных деформациях, при которых и более пластичные металлы неизбежно разрушаются.

Группе ученых из Массачусетского технологического института, возглавляемой профессором Маркусом Бюелером (Markus Buehler), удалось впервые, с привлечением массы экспериментальных и расчетных методов, показать, что прочность шелковых волокон кроется, на первый взгляд, парадоксальным образом в системе водородных связей, — самого слабого типа химических связей — организующих структуру белковых нанокристаллов в них.

Водородными связями называют очень слабые химические связи, возникающие между атомами водорода и какого-либо еще элемента (чаще всего — кислорода), уже соединенными прочными химическими взаимодействиями с другими атомами в молекулах и находящимися в структуре на небольшом расстоянии друг от друга.

Шелк состоит из белков, часть из которых образует тонкие плоские кристаллы, называемые учеными бета-листами. Эти листы в структуре шелка сложены «стопками» наподобие стопки блинов и связаны между собой системой водородных связей. С помощью комбинации расчетных методов, ученые показали, что, несмотря на свою непрочность, эти связи могут очень долго удерживать шелковую нить от разрыва при постепенном увеличении нагрузки.

«Маленькие и твердые кристаллы показали свою способность быстро перестраивать связывающие их водородные связи и в результате этого распадаться “грациозно”, то есть постепенно, а не резко, как это происходит в случае большинства материалов, например, керамик, где большая прочность приводит к высокой хрупкости», — сказал Синан Кетен (Sinan Keten), соавтор публикации.

Авторы исследования установили, что каждый бета-лист в структуре шелка ориентирован в пространстве отлично от соседних, что и позволяет всем водородным связям в структуре работать над увеличением его прочности «сообща». При деформации нити, ее изгибе или удлинении, эта ориентация быстро перестраивается таким образом, что разорванные водородные связи вновь восстанавливаются, сохраняя прочность волокна.

Ученые также установили, что эта прочность радикальным образом зависит от размеров бета-листов. В природных шелковых волокнах он составляет три нанометра (3 миллиардных доли метра), однако, если бы кристаллы имели размеры лишь немного больше, порядка пяти нанометров, шелк своими прочностными характеристиками уже бы не обладал.

Авторы исследования полагают, что результаты их работы могут быть применены и к другим природным волокнам, древесным и растительным, а также быть использованы при разработке новых синтетических волокон и тканей. Кроме того, в перспективе, эти результаты могут привести к созданию нового поколения сверхпрочных углеродных материалов.