CC BY
21ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОХИМИИ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ ПАУТИНЫ
Щербинин1 Ф.С. школьник, Цебрук2И.С., Классен2Н.В.
1- Физико-математический лицей, Сергиев Посад 2- Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, свЬгиШтт. ас. ги
001:10.24411/9999-004A-2019-10060
Актуальность данной работы вызвана тем, что паутина, с одной стороны, обладает рекордной среди всех известных материалов удельной прочностью (отношением разрывающего усилия к произведению поперечного сечения на удельный вес материала). Но при этом механизм формирования столь уникальных свойств до конца не выяснен. Кроме того, продолжающиеся несколько веков попытки разработать промышленную технологию производства паутины для изготовления разного рода конструкционных изделий пока успехов не дали. Пауки - одни из древнейших обитателей Земли, появившиеся более 200 миллионов лет назад. За это время они выработали способность производить паутинный шелк, непревзойденное по прочности натуральное волокно. Оно производится особыми железами, расположенными в задней части брюшка паука. Известно по крайней мере семь типов паутинных желез, производящих разные нити, но обычно у паука не все семь типов, а от одной до четырех пар разных желез. На плетение ловчей сети паутины у паука уходит приблизительно полчаса. Паутинное волокно сочетает в себе два рекордных свойства - прочность и эластичность. По этим параметрам паутина в пять - шесть раз превосходит самую прочную сталь. Подобно человеческому волосу, шерсти овцы и шелку коконов гусеницы шелкопряда, паутина состоит в основном из белков. По аминокислотному составу белки паутины - спидроины - относительно близки к фиброинам, белкам, из которых состоит шелк, вырабатываемый гусеницами шелкопряда. И те, и другие содержат необычно много аминокислот аланина (25%) и глицина (около 40%). Участки белковых молекул, богатые аланином, образуют плотно упакованные в складки кристаллические области, обеспечивающие высокую прочность, а те участки, где больше глицина, представляют собой более аморфный материал, способный хорошо растягиваться и тем самым придающий нити эластичность. Процесс формирования такой уникальной нити до сих пор не выяснен.
Для ответов на поставленные выше вопросы мы исследуем изменения механических свойств, структуры и химического состава паутины при воздействиях электрического поля. С этой целью пучки паутинных волокон размещались на двух параллельных друг другу электродных полосках из алюминиевой фольги, которые были закреплены на предметном стекле
бинокулярного оптического микроскопа. К электродам прикладывались постоянные или переменные электрические поля, а вызванные ими изменения в форме и структуре паутины регистрировались видеокамерой, установленной на месте одного из окуляров. При этих экспериментах межэлектродное пространство либо оставлялось сухим, либо заполнялось дистилированной водой или раствором медного купороса. В этих экспериментах была обнаружена высокая электрическая активность паутины. Электромеханически она проявлялась так: во-первых, при приложении разности электрических потенциалов к электродам с закрепленными на них концами паутинного пучка волокна пучка, в начале располагавшиеся на некотором расстоянии друг от друга, при приложении электрического напряжения быстро сближались, образуя плотный жгут. После выключения электрического поля волокна вновь постепенно отходили друг от друга. Во втором эксперименте разность потенциалов прикладывалась не к электродам, на которых закреплен пучок паутины, а к дополнительной паре электродов, ось которых была расположена перпендикулярно пучку и проходила параллельно основным электродам посредине между ними. В этом случае паутинный пучок начинал колебаться как целое между этими дополнительными электродами с периодом в несколько секунд: сначала он прижимался к одному электроду, через несколько секунд отрывался от него и прижимался к противоположному электроду. Такие осцилляции между электродами могли продолжаться длительное время.
Электрохимические особенности паутины проявились в трех экспериментах. При заполнении межэлектродного пространства дистилированной водой и подключении к основным электродам постоянной разности потенциалов порядка 30 вольт паутина растворялась. После высыхания воды на месте раствора наблюдались оптически анизотропные микрокристаллы. Мы предполагаем, что они образовались из белков, составлявших до включения поля паутинные волокна. Если межэлектронное пространство заполнялось не водой, а насыщенным водным раствором медного купороса (сульфата меди), волокна паутины при включении электрического поля не растворялись, но вокруг них вырастали оптически анизотропные микрокристаллы. А когда раствор медного купороса не заливался между электродами, а помещался в виде капли на один из них, то при включении электрического поля конец паутинного пучка, прилегающий к электроду с купоросом, постепенно приобретал голубоватую окраску.
Обнаруженные в данной работе электромеханические и электрохимические особенности паутины можно объяснить процессами электрической поляризации и переполяризации белков, образующих ее волокна. Например, известно, что в воде хорошо растворяются электрически полярные вещества, что обусловлено большими дипольными моментами молекул воды. Но до включения электрического поля компоненты паутины не имели электрической поляризации и поэтому паутина в воде не растворялась.
Приложение к паутине внешнего поля вызвало электрическую поляризацию входящих в нее белков, которые по этой причине начали активно взаимодействовать с молекулами воды и переходить в водный раствор. При последующем высыхании воды оставшиеся между электродами белки образовали анизотропные микрокристаллы. Притяжение отдельных волокон сухого пучка паутины друг к другу при подключении к ним электрического также можно объяснить индуцированием в них дипольных моментов, вызывающих диполь-дипольное притяжение между волокнами. Сложнее объяснить осциллирующее поведение паутинного пучка между дополнительными электродами с осью, расположенной перпендикулярно волокнам. Такого рода перескоки пучка от одного электрода к противоположному могли бы наблюдаться, если бы внутри волокон с периодичностью в несколько секунд по непонятной пока причине происходили спонтанные изменения знака поперечной волокнам электрической поляризации, индуцированной внешним полем.
Обрастание волокон паутины, помещенных в раствор медного купороса, микрокристаллами при включении внешнего электрического поля можно объяснить тем же индуцированием электрической поляризации, которое в чистой воде приводит к растворению паутины. Но в данном случае с индуцированными в волокнах диполями взаимодействуют не молекулы воды, а растворенные в ней ионы медного купороса. Детальный состав образующихся при этом микрокристаллов планируется определить в ближайшее время. Приобретение волокнами паутины голубой окраски при размещении капли медного купороса на одном из электродов свидетельствует о миграции ионов раствора под действием электрического поля либо по поверхности волокон, либо же непосредственно внутри них. С учетом того, волокна паутины характеризуются разнообразием оптических свойств в видимой области спектра (например, в некоторых волокнах наблюдается продольная модуляция показателя преломления микронных масштабов, обеспечивающая распределенную обратную связь), электростимулированное внедрение в них оптически активных ионов существенно расширяет возможности микрофотоники на основе паутины.
Полученные в данной работе результаты открывают возможности управления структурой и свойствами паутины вплоть до формирования из составляющих ее волокна белков искусственных волокон, по свойствам, не уступающим натуральным, и создания из них нескольких видов функциональных материалов с необходимыми механическими, химическими, оптическими и электрическими характеристиками.
Данная работа частично поддерживалась грантом РФФИ 16-29-11702.
