Пауки обычно производят самые прочные нити из всех животных, производящих шелк.
Шёлковый червь, как тот, что показан здесь, плетёт кокон из шёлка. Депозитные фото
Шелк - потрясающая ткань, но он также может делать гораздо больше. В лучшем случае шелк может держаться даже лучше, чем сталь, когда вы его тянете. Если вы можете получить достаточное количество высококачественного шелка, вы можете подумать о создании сенсоров для тела из шелка и шелковых бронежилетов.
Но вот в чем проблема. Получить достаточное количество шелка сложно.
Пауки делают самый прочный шелк, о котором мы знаем. К сожалению, шелк паука трудно найти - его, безусловно, очень трудно получить в достаточном количестве для большинства целей, если только вы не найдете альтернативу, которой еще не существует. Но ученые, возможно, теперь сделали именно это, в статье, опубликованной в журнале Matter в четверг, настроив более слабый, но гораздо более распространенный шелк тутового шелкопряда, чтобы он обладал свойствами, даже более сильными, чем шелк паука..
«Мы надеемся, что эта работа открывает многообещающий способ производства прибыльного высокопроизводительного искусственного шелка», - говорит Чжи Линь, биохимик из Тяньцзиньского университета на севере Китая и один из авторов статьи, в пресс-релизе.
Черви одомашненной шелкопряда Bombyx mori, безусловно, являются нашим самым плодовитым источником шелка. Люди на территории нынешнего Китая, по-видимому, одомашнили тутовых шелкопрядов около 6000 лет назад, и то, что они соткали из волокон животных, стало известно во всем мире как предмет роскоши. Шелк дал название Шелковому пути, сети торговых путей, которые веками соединяли народы и культуры старой Евразии. Шелк был даже замешан в самом раннем зарегистрированном случае промышленного шпионажа, когда два византийских монаха предположительно переправили шелковичных червей на запад вдоль Шелкового пути, спрятав их в выдолбленных тростях.
Но даже в досовременные времена мы знали, что шелковичные черви не обязательно производят лучший шелк. Черви создают свой шелк, чтобы сформировать коконы. Это, как правило, отлично подходит для вплетения в текстиль, но для того, чтобы действительно получить эти упругие свойства, этого недостаточно. (Шелкопряды также не производят его в больших количествах - всего на один фунт шелка требуются сотни тутовых шелкопрядов, а его сбор зачастую губителен для червей.)
Здесь целый зверинец животных, которые умеют плести шелкопряда: карпы, мидии, множество насекомых и многое другое, но самый прочный шелк получается у пауков. Паук может делать несколько разных типов шелка, в зависимости от поставленной задачи: например, один тип для изготовления яичных мешочков, а другой - для защиты добычи.
Самый прочный из них называется шелком драглайна, который пауки плетут для самых важных линий своей паутины. Это также шелк, на котором свисают пауки. В лучшем случае шелк драглайна может сравниться с высококачественной сталью по прочности на растяжение: насколько материал выдерживает растяжение или растяжение.
Если вам интересно, почему инженеры до сих пор не изготавливают мостовые тросы из паучьего шелка, то есть серьезная проблема. Просто не так много паучьего шелка. «Нам всегда приходится бороться, чтобы получить больше», - говорит Ханнес Шнипп, материаловед из Колледжа Уильяма и Мэри в Вирджинии, который не был частью новой бумаги и чья лаборатория изучает лентовидный шелк ядовитый коричневый паук-отшельник.
Более десяти лет назад текстильщики использовали шелк более миллиона пауков, чтобы сплести одну ткань размером 11 на 4 фута. Добыть миллион пауков - немалый подвиг, особенно потому, что их очень сложно приручить: они слишком территориальны и агрессивны.
Возможно, существуют способы изготовления шелка без животных, но ученым еще предстоит усовершенствовать ни один из них. Несколько стартапов сейчас пробуют свои силы (или, возможно, свою фильеру), но, несмотря на смелые обещания изобилия паучьего шелка, их продукты не совсем соответствуют всем впечатляющим свойствам органического продукта.
Ученые перепробовали ряд трюков, чтобы сравниться с тем, что могут делать пауки. Идея 21-го века включает в себя введение ДНК паука в тутового шелкопряда. Недавно с этой целью ученые из ряда китайских учреждений объединили усилия для картирования генома Bombyx mori. Но это еще не привело к созданию эффективного искусственного шелка.
Учёные, написавшие эту последнюю работу, использовали другой подход: пряли шёлк из червей, как паук.
Шелк тутового шелкопряда обычно состоит из белковых волокон, покрытых клееобразным веществом. Этот клей помогает шелковым волокнам склеиваться в коконы, но мешает его прядению. Так что пришлось уйти. Исследователи сделали это, погрузив волокна в кислоту, называемую HFIP, вещество, которое химики-органики часто используют для растворения белков.
В ходе процесса полученные волокна помещались в другую ванну, наполненную ионами цинка и железа, которые соединялись с шелком и укрепляли его. В этой ванне исследователи использовали специально изготовленную машину для скручивания прядей, растягивая каждую в три раза по сравнению с первоначальной длиной.
После сушки нитей у исследователей остался шелк, который не просто соответствовал шелку паучьего драглайна по прочности на разрыв. Это вышло за пределы. В ходе испытаний они обнаружили, что только что созданный ими шелк, внешне идентичный шелку паучьего драглайна, был на 70 процентов прочнее. Кроме того, он был более чем в два раза прочнее натурального шелка тутового шелкопряда, лишенного клея.
«Наше открытие опровергает предыдущее мнение о том, что шелк тутового шелкопряда не может конкурировать с шелком паука по механическим характеристикам», - говорит Лин.
Процесс, по словам Шниппа, не совсем нов. Ученые-шелковики пытались улучшить свойства шелка тутового шелкопряда. Но им никогда не удавалось создать «шелк тутового шелкопряда, который превосходит шелк паука - это определенно не то, чего я ожидал в каком-то смысле так просто», - говорит Шнипп.
Этот подход не решит всех проблем, связанных с производством шелка оптом. Вам по-прежнему нужно получать шелк от тутового шелкопряда, а не выращивать белки в лаборатории, как это делают некоторые попытки. Более того, HFIP не очень подходит для массового производства; это и дорого, и довольно токсично.
Но ученые говорят, что этот эксперимент, в конечном счете, может стать темой для исследователей.