Вода запуталась в искусственной паутине

Капельки росы, искрящиеся в лучах утреннего солнца – очень красивая и наглядная иллюстрация высокой эффективности паутины как впитывающего материала. Структура волокон паутины уже привлекала внимание материаловедов своей сверхвысокой эластичностью, ведь белок, из которого она состоит, сам по себе не имеет таких свойств. На этот раз ученые решили исследовать ее необычно высокие способности выделять и поглощать влагу из воздуха.

Свежая паутина

Особенно высокие влагопоглощающие способности замечены у паутины мелкосетчатых пауков семейства Oonopidae. Они при выделении нити используют что-то вроде гребешка, чтобы разделить ее на тончайшие волоконца. Такую паутину ученые и решили изучить.

Шелковая нить, только что появившаяся на свет, имеет удивительную структуру, которая, к сожалению, заметна лишь под микроскопом. Нить свежей паутины состоит из очень воздушных пористых «помпонов» или клубков, состоящих из хаотично переплетенных волокон диаметром 2-3 нанометра. Эти клубки диаметром более 0,1 миллиметра чередуются с аккуратными соединительными участками, где эти волоконца выровнены вдоль оси нити.

Само вещество, из которого нить состоит, очень гидрофильное. Корни «гидро» («вода») и «фил» («любить») прекрасно раскрывают смысл термина: гидрофильные поверхности очень хорошо смачиваются, фактически, притягивают воду. Поэтому, как только свежая паутина попадает во влажный воздух, воздушные помпоны под тяжестью воды схлопываются, образуя запутанные, как бы свалявшиеся, утолщения из плотно спутанных волоконец. Соединения при этом остаются «причесанными», хотя тоже уплотняются. Если в узелке толщина нити паутины около 20 микрон, то в соединительных участках – всего лишь около 5.

Две силы

Когда в воздухе присутствует избыток влаги, например, туманным утром, гидрофильная поверхность нитей паутины притягивает к себе молекулы воды, которые формируют на ее поверхности крохотные капельки размером в несколько микрон. Однако эти капельки не остаются на одном месте, а сразу начинают двигаться в сторону узелков, где соединяются, образуя более крупные капли. Гладкие соединительные участки при этом освобождаются для принятия новых крохотных капелек. А в узлах капли могут вырастать до миллиметровых размеров (и даже крупнее). Именно такие крупные капли росы на паутине летним утром вдохновляли многих художников.

Исследователи смогли не только описать этот механизм сбора влаги, но и объяснить его. Есть две движущие силы, толкающие капли к узелкам. Первая связана с разной «шершавостью» поверхности. Более шершавая поверхность более гидрофильная (за счет большей площади), а, значит, на такой поверхности влаге находиться удобнее. Ученые говорят «энергетически выгоднее».

Второй механизм связан с разницей давления Лапласа, которое возникает, когда капля оказывается на границе узелок-соединение. Граница эта не резкая: нить расширяется и сужается конусообразно. Если представить каплю на этой границе в разрезе, то получится что-то вроде «пэкмена» -- кружочка с огромной разинутой пастью. Положение это для капли неустойчивое: дело в том, что угол между поверхностью воды и нитью, то есть угол смачивания, неодинаков со стороны узла и с тонкой стороны. Стремясь уравновесить их, капля сдвигается в сторону утолщения.

Искусственная паутина

Вдохновленные открытым механизмом, пекинские нанотехнологи решили повторить шедевр природы. За основу ученые взяли нейлоновые волокна, из которых создали нить с более ровными тонкими частями, чередующимися со спутанными утолщениями. Полученная нить не только имитировала структуру утолщения, но и демонстрировала сходное поведение капелек воды на своей поверхности. Ученые считают, что материал, сделанный на основе этих нитей, может быть полезен для создания влагопоглощающих материалов или фильтров для очистки газов от аэрозолей.

Более подробно про механизм влагопоглощения паутины природной и способ производства паутины искусственной читайте в статье пекинских ученых в журнале Nature.