Что крепче паутина или волос

Опубликовано: 15.05.2024

Каждый может легко смахнуть паутину, висящую между ветками дерева или под потолком в дальнем углу комнаты. Но мало кто знает, что если бы паутина имела диаметр 1 мм, то она могла бы выдержать груз массой приблизительно 200 кг. Стальная проволока того же диаметра выдерживает существенно меньше: 30–100 кг, в зависимости от типа стали. Почему же паутина обладает такими исключительными свойствами?

Некоторые пауки прядут до семи типов нитей, каждая из которых имеет собственное назначение. Нити могут использоваться не только для ловли добычи, но и для строительства коконов и парашютирования (взлетая на ветру, пауки могут уходить от внезапной угрозы, а молодые пауки таким способом расселяются на новые территории). Каждый из типов паутины производится специальными железами.

Паутина, используемая для ловли добычи, состоит из нескольких типов нитей (рис. 1): каркасной, радиальной, ловчей и вспомогательной. Наибольший интерес ученых вызывает каркасная нить: она имеет одновременно высокую прочность и высокую эластичность — именно это сочетание свойств является уникальным. Предельное напряжение на разрыв каркасной нити паука Araneus diadematus составляет 1,1–2,7. Для сравнения: предел прочности стали 0,4–1,5 ГПа, человеческого волоса — 0,25 ГПа. В то же время каркасная нить способна растягиваться на 30–35%, а большинство металлов выдерживают деформацию не более 10–20%.

Представим себе летящее насекомое, которое ударяется в натянутую паутину. При этом нить паутины должна растянуться так, чтобы кинетическая энергия летящего насекомого превратилась в тепло. Если бы паутина запасала полученную энергию в виде энергии упругой деформации, то насекомое отскочило бы от паутины, как от батута. Важное свойство паутины состоит в том, что она выделяет очень большое количество теплоты при быстром растяжении и последующем сокращении: энергия, выделяемая в единице объема, составляет более 150 МДж/м 3 (сталь выделяет — 6 МДж/м 3 ). Это позволяет паутине эффективно рассеивать энергию удара и не слишком сильно растягиваться, когда в нее попадает жертва. Паутина или полимеры, обладающие аналогичными свойствами, могли бы стать идеальными материалами для легких бронежилетов.

В народной медицине есть такой рецепт: на рану или ссадину, чтобы остановить кровь, можно приложить паутину, аккуратно очистив ее от застрявших в ней насекомых и мелких веточек. Оказывается, паутина обладает кровеостанавливающим действием и ускоряет заживление поврежденной кожи. Хирурги и трансплантологи могли бы использовать ее в качестве материала для наложения швов, укрепления имплантантов и даже как заготовки для искусственных органов. С помощью паутины можно существенно улучшить механические свойства множества материалов, которые в настоящее время применяются в медицине.

Итак, паутина — необычный и очень перспективный материал. Какие же молекулярные механизмы отвечают за ее исключительные свойства?

Мы привыкли к тому, что молекулы — чрезвычайно маленькие объекты. Однако это не всегда так: вокруг нас широко распространены полимеры, которые имеют длинные молекулы, состоящие из одинаковых или похожих друг на друга звеньев. Все знают, что генетическая информация живого организма записана в длинных молекулах ДНК. Все держали в руках полиэтиленовые пакеты, состоящие из длинных переплетенных молекул полиэтилена. Молекулы полимеров могут достигать огромных размеров.

Например, масса одной молекулы ДНК человека порядка 1,9·10 12 а.е.м. (однако это приблизительно в сто миллиардов раз больше, чем масса молекулы воды), длина каждой молекулы составляет несколько сантиметров, а общая длина всех молекул ДНК человека достигает 10 11 км.

Важнейшим классом природных полимеров являются белки, они состоят из звеньев, которые называются аминокислотами. Разные белки выполняют в живых организмах чрезвычайно разные функции: управляют химическими реакциями, используются в качестве строительного материала, для защиты и т. д.

Каркасная нить паутины состоит из двух белков, которые получили названия спидроинов 1 и 2 (от английского spider — паук). Спидроины — это длинные молекулы с массой от 120000 до 720000 а.е.м. У разных пауков аминокислотные последовательности спидроинов могут отличаться друг от друга, но все спидроины имеют общие черты. Если мысленно вытянуть длинную молекулу спидроина в прямую линию и посмотреть на последовательность аминокислот, то окажется, что она состоит из повторяющихся участков, похожих друг на друга (рис. 2). В молекуле чередуются два типа участков: относительно гидрофильные (те, которым энергетически выгодно контактировать с молекулами воды) и относительно гидрофобные (те, которые избегают контакта с водой). На концах каждой молекулы присутствуют два неповторяющихся гидрофильных участка, а гидрофобные участки состоят из множества повторов аминокислоты, называемой аланином.

Длинная молекула (например, белок, ДНК, синтетический полимер) может быть представлена как скомканная запутанная веревка. Растянуть ее не составляет труда, потому что петли внутри молекулы могут расправляться, требуя сравнительно небольшого усилия. Некоторые полимеры (например, резина) могут растягиваться на 500% своей начальной длины. Так что способность паутины (материала, состоящего из длинных молекул) деформироваться больше, чем металлы, не вызывает удивления.

Откуда же берется прочность паутины?

Чтобы понять это, важно проследить за процессом формирования нити. Внутри железы паука спидроины накапливаются в виде концентрированного раствора. Когда происходит формирование нити, этот раствор выходит из железы по узкому каналу, это способствует вытягиванию молекул и ориентации их вдоль направления вытяжки, а соответствующие химические изменения вызывают слипание молекул. Фрагменты молекул, состоящие из аланинов, соединяются вместе и образуют упорядоченную структуру, похожую на кристалл (рис. 3). Внутри такой структуры фрагменты уложены параллельно друг другу и сцеплены между собой водородными связями. Именно эти участки, сцепленные между собой, и обеспечивают прочность волокна. Типичный размер таких плотно упакованных участков молекул составляет несколько нанометров. Расположенные вокруг них гидрофильные участки оказываются неупорядоченно свернутыми, похожими на скомканные веревки, они могут расправляться и этим обеспечивать растяжение паутины.

Многие композиционные материалы, например армированные пластмассы, устроены по тому же принципу, что и каркасная нить: в относительно мягком и подвижном матриксе, который дает возможность деформации, находятся малые по размерам твердые области, которые делают материал прочным. Хотя материаловеды давно работают с подобными системами, созданные человеком композиты только начинают приближаться к паутине по своим свойствам.

Любопытно, что, когда паутина намокает, она сильно сокращается (это явление получило название суперконтракции). Это происходит потому, что молекулы воды проникают в волокно и делают неупорядоченные гидрофильные участки более подвижными. Если паутина растянулась и провисла от попадания насекомых, то во влажный или дождливый день она сокращается и при этом восстанавливает свою форму.

Отметим также интересную особенность формирования нити. Паук вытягивает паутину под действием собственного веса, но полученная паутина (диаметр нити приблизительно 1–10 мкм) обычно позволяет выдержать массу, в шесть раз большую массы самого паука. Если же увеличить вес паука, вращая его в центрифуге, он начинает выделять более толстую и более прочную, но менее жесткую паутину.

Когда заходит речь о применении паутины, возникает вопрос о том, как ее получать в промышленных количествах. В мире существуют установки для «доения» пауков, которые вытягивают нити и наматывают их на специальные катушки. Однако такой способ неэффективен: чтобы накопить 500 г паутины, необходимо 27 тысяч средних пауков. И тут на помощь исследователям приходит биоинженерия. Современные технологии позволяют внедрить гены, кодирующие белки паутины, в различные живые организмы, например в бактерии или дрожжи. Эти генетически модифицированные организмы становятся источниками искусственной паутины. Белки, полученные методами генной инженерии, называются рекомбинантными. Отметим, что обычно рекомбинантные спидроины гораздо меньше природных, но структура молекулы (чередование гидрофильных и гидрофобных участков) остается неизменной.

Есть уверенность, что искусственная паутина по своим свойствам не будет уступать природной и найдет свое практическое применение как прочный и экологически чистый материал. В России исследованиями свойств паутины совместно занимаются несколько научных групп из различных институтов. Получение рекомбинантной паутины осуществляют в Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов, физические и химические свойства белков исследуют на кафедре биоинженерии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, изделия из белков паутины формируют в Институте биоорганической химии РАН, их медицинскими применениями занимаются в Институте трансплантологии и искусственных органов.

10 “нельзя” или что не рекомендуется делать при выпадении волос

Волосы у человека давно уже утратили свою биологическую целесообразность – они не защищают нас от холода и ветра, других негативных факторов. Единственная функция, которую продолжает осуществлять волосяной покров, – это эстетическая.

Волосы представляют и для мужчин, и для женщин, огромную психологическую ценность, а их потеря становится для большинства тяжелой эмоциональной трагедией. Необходимо хорошо представлять, что запрещено делать при выпадении волос, ведь неправильное поведение в этот момент может повлиять на течение процесса потери волос и привести к его усугублению.

Какие ошибки мы совершаем, столкнувшись с выпадением волос

При выпадении волос нельзя паниковать

Всем известна тесная взаимосвязь процесса выпадения волос и состояния психо-эмоционального фона. Ведь стресс является фактором-причиной выпадения, а может и затягивать выпадение, вызванное другими факторами. Перспектива грядущего облысения – одна из основных причин, способствующих появлению невроза, особенно у женщин, от природы обладающих густым волосами. Чем дольше протекает выпадение, тем больше становится страх потерять «последние» волосы и возрастает акцентуация на факте выпадения. Необходимо понять, что сильные и внезапные формы выпадения волос чаще всего являются наиболее благоприятными, чаще всего они имеют четкую связь с перенесенной температурой, заболеванием, лекарством и т.д., и в большинстве случаев проходят даже сами по себе.

Нельзя мыть голову редко

Мытье головы является важной мерой ухода за волосами, особенно в период активного выпадения волос. Ограничение кратности мытья, особенно боязнь мытья головы, нежелательна не только с психологической точки зрения, но и с точки зрения здоровья. Сальный секрет, накапливающийся на поверхности головы при редком мытье, может являться причиной воспаления кожи и усугубления выпадения волос.

Нельзя ограничивать расчесывание волос, «накапливать» выпадающие волосы

Стадия выпадения волоса длится 3 месяца – это период от прекращения роста волоса до того момента, как волос покидает кожу головы. Если волосы не вычесывать вовремя, то мертвый волос механически будет препятствовать росту «нового» волоса, растущего вместо него.

Нельзя находиться на солнце без головного убора

Доказана роль негативного влияния ультрафиолета на потерю волос. Чем интенсивнее выпадение, чем более редкими волосы становятся, тем больше будет прогрессия процесса потери волос.

Нельзя собирать и подсчитывать выпавшие волосы

По статистике трихологов, собирание и подсчет волос, которые покинули голову, обладает только негативным эффектом на течение выпадения волос. Собирание волос способствует акцентуации женщин на процессе потери волос, невротизирует, а ни в коем случае не позволяет понять, насколько выпадение превышает суточную норму.

Нельзя втирать масла в кожу головы

Кожа головы относится к зоне с очень высокой секрецией кожного сала. Дополнительное нанесение жирных средств, особенно масел, которые обладают комедоногенным действием, может способствовать появлению воспаления, перхоти и болезненности кожи и усугубить выпадения.

Нельзя сидеть на гипокалорийной и безбелковой диете

Клетки волосяного фолликула относятся к одним из наиболее интенсивно делящихся клеток человеческого организма, именно поэтому им требуется большое количество энергии для нормального метаболизма. Считается, что калорийность пищевого рациона менее 1200 ккал может приводить к выпадению волос. Что касается белка, это основной структурный элемент стержня волоса (белок кератин), поэтому в пищевом рационе обязательно должны присутствовать все незаменимые аминокислоты.

Нельзя отменять оральные контрацептивы

Многие из существующих оральных контрацептивов обладают положительным влиянием на рост волос, поскольку содержать женские гормоны эстрогены, а в ряде случаев снижают и мужские. Отменять «подпитывающие» фолликул препараты не целесообразно в момент выпадения, когда клетки волоса и так слишком чувствительны ко всем неблагоприятным факторам.

Нельзя лечить волосы иммуностимуляторами и противогельминтнами препаратами

По старинке, часть врачей связывают выпадение волос со сниженным иммунитетом или глистной инвазией, назначая соответствующие препараты для «лечения» потери волос. На самом деле большинство иммуностимуляторов и антигельминтных лекарств, наоборот, являются «виновниками» выпадения.

Нельзя самостоятельно начинать и отменять препараты с миноксидилом

Миноксидил – единственный препарат для наружного применения, который имеет высокую степень эффективности при поредении волос. В России он находится в свободной продаже и часто начинает применяться самостоятельно, по рекомендации фармацевта или консультанта в интернете. Тем не менее, миноксидил – препарат для постоянного применения, который обладает «синдромом отмены», может вызывать нежелательные явления и дает усиления в начале применения. Именно поэтому при острых, доброкачественных формах выпадения, при диффузном выпадении он может только навредить.

Не стоит отчаиваться, столкнувшись с выпадением волос. Чаще всего, это временное явление, которое не принесет непоправимых последствий. Помните, что если выпадение волос продолжается до 3 месяцев, волосы покидают голову со всей поверхности, – это острое выпадение, которое при правильном уходе пройдет даже само по себе.

Окружающий нас мир таит в себе еще множество загадок, но даже давно известные ученым явления и вещества не перестают удивлять и восторгать. Мы любуемся яркими красками, наслаждаемся вкусами и используем свойства всевозможных веществ, делающих нашу жизнь комфортнее, безопаснее и приятнее. В поисках самых надежных и крепких материалов человек совершил немало восторгающих открытий, и перед вами подборка как раз из 25 таких уникальных соединений!

25. Алмазы

Фото: pixabay

Об этом точно знают если не все, то почти все. Алмазы – это не только одни из самых почитаемых драгоценных камней, но и один из самых твердых минералов на Земле. По шкале Мооса (шкала твёрдости, в которой оценка дается по реакции минерала на царапание) алмаз числится на 10 строчке. Всего в шкале 10 позиций, и 10-ая – последняя и самая твердая степень. Алмазы такие твердые, что поцарапать их можно разве что другими алмазами.

24. Ловчие сети паука вида Caerostris darwini

Фото: pixabay

В это сложно поверить, но сеть паука Caerostris darwini (или паук Дарвина) крепче стали и тверже кевлара. Эту паутину признали самым твердым биологическим материалом в мире, хотя сейчас у нее уже появился потенциальный конкурент, но данные еще не подтверждены. Паучье волокно проверили на такие характеристики, как разрушающая деформация, ударная вязкость, предел прочности и модуль Юнга (свойство материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации), и по всем этим показателям паутина проявила себя удивительнейшим образом. Вдобавок ловчая сеть паука Дарвина невероятно легкая. Например, если волокном Caerostris darwini обернуть нашу планету, вес такой длинной нити составит всего 500 граммов. Таких длинных сетей не существует, но теоретические подсчеты просто поражают!

23. Аэрографит

Эта синтетическая пена – один из самых легких волокнистых материалов в мире, и она представляет собой сеть углеродных трубочек диаметром всего в несколько микронов. Аэрографит в 75 раз легче пенопласта, но при этом намного прочнее и пластичнее. Его можно сжать до размеров, в 30 раз меньших первоначального вида, без какого-либо вреда для его чрезвычайно эластичной структуры. Благодаря этому свойству аэрографитная пена может выдержать нагрузку, в 40 000 раз превышающую ее собственный вес.

22. Палладиевое металлическое стекло

Фото: pixabay

Команда ученых их Калифорнийского технического института и Лаборатории Беркли (California Institute of Technology, Berkeley Lab) разработала новый вид металлического стекла, совместивший в себе практически идеальную комбинацию прочности и пластичности. Причина уникальности нового материала кроется в том, что его химическая структура успешно скрадывает хрупкость существующих стеклообразных материалов и при этом сохраняет высокий порог выносливости, что в итоге значительно увеличивает усталостную прочность этой синтетической структуры.

21. Карбид вольфрама

Фото: pixabay

Карбид вольфрама – это невероятно твердый материал, обладающий высокой износостойкостью. В определенных условиях это соединение считается очень хрупким, но под большой нагрузкой оно показывает уникальные пластические свойства, проявляющиеся в виде полос скольжения. Благодаря всем этим качествам карбид вольфрама используется в изготовлении бронебойных наконечников и различного оборудования, включая всевозможные резцы, абразивные диски, свёрла, фрезы, долота для бурения и другие режущие инструменты.

20. Карбид кремния

Фото: Tiia Monto

Карбид кремния – один из основных материалов, используемых для производства боевых танков. Это соединение известно своей низкой стоимостью, выдающейся тугоплавкостью и высокой твердостью, и поэтому оно часто используется в изготовлении оборудования или снаряжения, которое должно отражать пули, разрезать или шлифовать другие прочные материалы. Из карбида кремния получаются отличные абразивы, полупроводники и даже вставки в ювелирные украшения, имитирующие алмазы.

19. Кубический нитрид бора

Фото: wikimedia commons

Кубический нитрид бора – это сверхтвердый материал, по своей твердости схожий с алмазом, но обладающий и рядом отличительных преимуществ – высокой температурной устойчивости и химической стойкости. Кубический нитрид бора не растворяется в железе и никеле даже под воздействием высоких температур, в то время как алмаз в таких же условиях вступает в химические реакции достаточно быстро. На деле это выгодно для его использования в промышленных шлифовальных инструментах.

18. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности (СВМПЭ), марка волокон «Дайнима» (Dyneema)

Фото: Justsail

Полиэтилен с высоким модулем упругости обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения и высокой вязкостью разрушения (низкотемпературная надёжность). Сегодня его считают самым прочным волокнистым веществом в мире. Самое удивительное в этом полиэтилене то, что он легче воды и одновременно может останавливать пули! Тросы и канаты из волокон Дайнима не тонут в воде, не нуждаются в смазке и не меняют свои свойства при намокании, что очень актуально для судостроения.

17. Титановые сплавы

Фото: Alchemist-hp (pse-mendelejew.de)

Титановые сплавы невероятно пластичные и демонстрируют удивительную прочность во время растяжения. Вдобавок они обладают высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, что делает их крайне полезными в таких областях, как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.

16. Сплав Liquidmetal

Фото: pixabay

Разработанный в 2003 году в Калифорнийском техническом институте (California Institute of Technology), этот материал славится своей силой и прочностью. Название соединения ассоциируется с чем-то хрупким и жидким, но при комнатной температуре оно на самом деле необычайно твердое, износостойкое, не боится коррозии и при нагревании трансформируется, как термопласты. Основными сферами применения пока что являются изготовление часов, клюшек для гольфа и покрытий для мобильных телефонов (Vertu, iPhone).

15. Наноцеллюлоза

Фото: pixabay

Наноцеллюлозу выделяют из древесного волокна, и она представляет собой новый вид деревянного материала, который прочнее даже стали! Вдобавок наноцеллюлоза еще и дешевле. Инновация имеет большой потенциал и в будущем может составить серьезную конкуренцию стеклу и углеволокну. Разработчики считают, что этот материал вскоре будет пользоваться большим спросом в производстве армейской брони, супергибких экранов, фильтров, гибких батареек, абсорбирующих аэрогелей и биотоплива.

14. Зубы улиток вида «морское блюдечко»

Фото: pixabay

Ранее мы уже рассказали вам о ловчей сети паука Дарвина, которую некогда признали самым прочным биологическим материалом на планете. Однако недавнее исследование показало, что именно зубы морского блюдечка – наиболее прочная из известных науке биологических субстанций. Да-да, эти зубки прочнее паутины Caerostris darwini. И это неудивительно, ведь крошечные морские создания питаются водорослями, растущими на поверхности суровых скал, и чтобы отделить пищу от горной породы, этим зверькам приходится потрудиться. Ученые полагают, что в будущем мы сможем использовать пример волокнистой структуры зубов морских блюдечек в машиностроительной промышленности и начнем строить автомобили, лодки и даже воздушные суда повышенной прочности, вдохновившись примером простых улиток.

13. Мартенситно-стареющая сталь

Фото: pixabay

Мартенситно-стареющая сталь – это высокопрочный и высоколегированный сплав, обладающий превосходной пластичностью и вязкостью. Материал широко распространен в ракетостроении и используется для изготовления всевозможных инструментов.

12. Осмий

Фото: Periodictableru / www.periodictable.ru

Осмий – невероятно плотный элемент, и благодаря своей твердости и высокой температуре плавления он с трудом поддается механической обработке. Именно поэтому осмий используют там, где долговечность и прочность ценятся больше всего. Сплавы с осмием встречаются в электрических контактах, ракетостроении, военных снарядах, хирургических имплантатах и применяются еще во многих других областях.

11. Кевлар

Фото: wikimedia commons

Кевлар – это высокопрочное волокно, которое можно встретить в автомобильных шинах, тормозных колодках, кабелях, протезно-ортопедических изделиях, бронежилетах, тканях защитной одежды, судостроении и в деталях беспилотных летательных аппаратов. Материал стал практически синонимом прочности и представляет собой вид пластика с невероятно высокой прочностью и эластичностью. Предел прочности кевлара в 8 раз выше, чем у стального провода, а плавиться он начинает при температуре в 450℃.

10. Сверхвысокомолекулярный полиэтилен высокой плотности, марка волокон «Спектра» (Spectra)

Фото: Tomas Castelazo, www.tomascastelazo.com / Wikimedia Commons

СВМПЭ – это по сути очень прочный пластик. Спектра, марка СВМПЭ, – это в свою очередь легкое волокно высочайшей износостойкости, в 10 раз превосходящее по этому показателю сталь. Как и кевлар, спектра используется в изготовлении бронежилетов и защитных шлемов. Наряду с СВМПЭ марки дайнимо спектра популярна в судостроении и транспортной промышленности.

9. Графен

Фото: pixabay

Графен – это аллотропная модификация углерода, и его кристаллическая решетка толщиной всего в один атом настолько прочная, что она в 200 раз тверже стали. Графен с виду похож на пищевую пленку, но порвать его – практически непосильная задача. Чтобы пробить графеновый лист насквозь, вам придется воткнуть в него карандаш, на котором должен будет балансировать груз весом с целый школьный автобус. Удачи!

8. Бумага из углеродных нанотрубок

Фото: pixabay

Благодаря нанотехнологиям ученым удалось сделать бумагу, которая в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Листы из углеродных нанотрубок в 10 раз легче стали, но удивительнее всего то, что по прочности они превосходят сталь в целых 500 раз! Макроскопические пластины из нанотрубок наиболее перспективны для изготовления электродов суперконденсаторов.

7. Металлическая микрорешетка

Фото: pixabay

Перед вами самый легкий в мире металл! Металлическая микрорешетка – это синтетический пористый материал, который в 100 раз легче пенопласта. Но пусть его внешний вид не вводит вас в заблуждение, ведь эти микрорешетки заодно и невероятно прочные, благодаря чему они обладают большим потенциалом для использования во всевозможных инженерных областях. Из них можно изготавливать превосходные амортизаторы и тепловые изоляторы, а удивительная способность этого металла сжиматься и возвращаться в своё первоначальное состояние позволяет использовать его для накопления энергии. Металлические микрорешетки также активно применяются в производстве различных деталей для летательных аппаратов американской компании Boeing.

6. Углеродные нанотрубки

Фото: User Mstroeck / en.wikipedia

Выше мы уже рассказывали про сверхпрочные макроскопические пластины из углеродных нанотрубок. Но что же это за материал такой? По сути это свернутые в трубку графеновые плоскости (9-ый пункт). В результате получается невероятно легкий, упругий и прочный материал широкого спектра применения.

5. Аэрографен

Фото: wikimedia commons

Известный также как графеновый аэрогель, этот материал чрезвычайно легкий и прочный одновременно. В новом виде геля жидкая фаза полностью заменена на газообразную, и он отличается сенсационной твердостью, жаропрочностью, низкой плотностью и низкой теплопроводностью. Невероятно, но графеновый аэрогель в 7 раз легче воздуха! Уникальное соединение способно восстанавливать свою изначальную форму даже после 90% сжатия и может впитывать такое количество масла, которое в 900 раз превышает вес используемого для абсорбции аэрографена. Возможно, в будущем этот класс материалов поможет в борьбе с такими экологическими катастрофами, как разливы нефти.

4. Материал без названия, разработка Массачусетского технологического института (MIT)

Фото: pixabay

Пока вы читаете эти строки, команда ученых из MIT работает над усовершенствованием свойств графена. Исследователи заявили, что им уже удалось преобразовать двумерную структуру этого материала в трехмерную. Новая графеновая субстанция еще не получила своего названия, но уже известно, что ее плотность в 20 раз меньше, чем у стали, а ее прочность в 10 раз выше аналогичной характеристики стали.

3. Карбин

Фото: Smokefoot

Хоть это и всего лишь линейные цепочки атомов углерода, карбин обладает в 2 раза более высоким пределом прочности, чем графен, и он в 3 раза жестче алмаза!

2. Нитрид бора вюрцитной модификации

Фото: pixabay

Это недавно открытое природное вещество формируется во время вулканических извержений, и оно на 18% тверже алмазов. Впрочем, алмазы оно превосходит еще по целому ряду других параметров. Вюрцитный нитрид бора – одна из всего 2 натуральных субстанций, обнаруженных на Земле, которая тверже алмаза. Проблема в том, что таких нитридов в природе очень мало, и поэтому их непросто изучать или применять на практике.

1. Лонсдейлит

Фото: pixabay

Известный также как алмаз гексагональный, лонсдейлит состоит из атомов углерода, но в случае данной модификации атомы располагаются несколько иначе. Как и вюрцитный нитрид бора, лонсдейлит – превосходящая по твердости алмаз природная субстанция. Причем этот удивительный минерал тверже алмаза на целых 58%! Подобно нитриду бора вюрцитной модификации, это соединение встречается крайне редко. Иногда лонсдейлит образуется во время столкновения с Землей метеоритов, в состав которых входит графит.

-Рубрики

NG (110)
одежда (96)
coub (70)
геология (47)
ДЖЕНН (45)
музеи (17)
высоцкий (13)
ленин (13)
палеонтология (7)
современное искусство (7)
современное искусство (5)
егор иванов (3)
театр (2)
памятники (2)
pin-up (1)
Lara Fabian (0)
авто (163)
актеры и актрисы (318)
алкоголь (72)
антик (1)
антиквариат (5)
археология (90)
архитектура (597)
аудио (7)
быт (3)
великая отечественная (358)
видео (1784)
война (1633)
география (71)
гифки (120)
дача (44)
деньги (319)
детство (720)
дизайн (814)
еда (107)
единоборства (3)
женская красота (1860)
ЖИВОПИСЬ (5821)
здоровье (270)
знаменитости (400)
избранное (5412)
инсталляция (27)
интернет (176)
интерьер (711)
инфографика (57)
история (1619)
кино (401)
компьютерная графика (96)
космонавтика (30)
космос (447)
кошки (151)
красоты земли (523)
креатив (165)
кризис (1)
кулинария (794)
литература (270)
любовь (82)
любопытно (2570)
макро (93)
мифы и легенды (127)
мода (154)
море (501)
музеи (20)
музыка (873)
мультфильм (66)
наука (355)
обычаи (113)
оружие (728)
полезности (391)
поэзия (140)
прикладное творчество (159)
природа (711)
психология (73)
реклама (48)
религия (260)
ретро (486)
рецепты (670)
россия (690)
русский язык (99)
сев. кавказ (22)
секс (58)
семья (207)
скульптура (146)
собаки (346)
современная россия (2320)
спорт (161)
ссср (1085)
Сталин (103)
статьи (466)
стихийные бедствия (33)
страны (958)
тайны (7)
танец (70)
тесты (41)
техника (361)
умности (159)
флора и фауна (1003)
флэшки (37)
фотоискусство (2434)
фотошоп (143)
цветы (292)
эзотерика (32)
экология (127)
эротика (844)
ювелирные изделия (74)
юмор (1031)
язык (32)

-Метки

-Музыка

-Видео

Великий Майкл Флэтли и его "Lord of the 14.08.2012 --> Смотрели: 147 (11)

30 Seconds to Mars - "А Beautiful Lie" 01.04.2012 --> Смотрели: 429 (0)

Kingdom Come - "What Love Can Be" 01.04.2012 --> Смотрели: 173 (0)

Muse - "New born" 31.03.2012 --> Смотрели: 121 (4)

"Агата Кристи" 25.03.2012 --> Смотрели: 141 (10)

-Поиск по дневнику

-Интересы

-Друзья

-Сообщества

-Статистика

Удивительное творение природы — паутина. Немного фактов о ней самой и её производителях — пауках.

ПАУТИНА — секрет паутинных желёз, который вскоре после выделения застывает в форме нитей. По химической природе представляет собой белок, близкий по составу к шёлку насекомых. Паутину способны выделять представители ряда групп паукообразных (пауки, ложноскорпионы, некоторые клещи) и губоногие многоножки.

Варианты использования паутины оказываются довольно разнообразны, но наиболее распространено применение её для построения яйцевых коконов, сперматофоров, ловчих сетей и укрытий на время линьки или неблагоприятных условий. Следует отметить, что ловчую сеть пауков также часто называют паутиной.

По прочности паутина близка к нейлону и значительно прочнее сходного с ней по составу шёлка насекомых (например, гусениц тутового шелкопряда). Согласно одному из предположений различия обусловлены тем, что пауки формируют волокно, свисая на нём.

Другое необычное свойство паутины — внутренняя шарнирность: подвешенный на паутинном волокне предмет можно неограниченно вращать в одну и ту же сторону, и при этом она не только не перекрутится, но вообще не будет создавать заметной силы противодействия.

А также паутина имеет свойство перекрашивать чёрный волос в рыжий навсегда. Если паутина попадет в раствор Хлорида натрия, она образует смесь, при взаимодействии с которой чёрные пигменты животных и человека преобразуются в рыжие пигменты (феомеланины).

Наиболее известный вариант использования паутины пауками — построение ловчих сетей, которые в зависимости от строения способны полностью обездвижить добычу, затруднить её передвижения или только просигнализировать о её появлении. Пойманную добычу пауки также часто заворачивают в сеть. У аранеоморфных пауков с ловчими сетями связано очень сложное брачное поведение.

Перед размножением самцы плетут сперматическую сеточку, на которую выделяют каплю семенной жидкости для переноса её в резервуары цимбиумов (копулятивных органов на кончиках педипальп).

Развитие яиц и молоди проходит в паутинном яйцевом коконе. У некоторых видов самка в период размножения выделяет нить, помеченную феромонами, которую самец использует при поиске партнёрши. В связи с этим, хотя даже среди наиболее архаичных членистобрюхих пауков есть представители формирующие для охоты сигнальные волокна, считается, что первичная функция паутины пауков связана именно с размножением, а не с добычей пищи. В качестве основного довода в пользу этой гипотезы рассматривают исходную приуроченность паутинных бородавок к области половых отверстий.

Кроме того, многие пауки оплетают ей стенки норки. Наконец, одними из наиболее экстравагантных применений паутины оказывается формирование страховочных нитей, препятствующих неудачному падению при прыжках, и «парашютов», с помощью которых молодь может распространяться с потоками воздуха

Паутина и шелк

Шелк паука — необычный материал. Одна из его особенностей — огромная прочность. Нить шелка толщиной с карандаш способна остановить Боинг-747, летящий на полной скорости. Мы все еще не можем создать такой материал, несмотря на все наши технологические достижения. У паука есть несколько желез, расположенных в животе, которые производят паутинный шелк. Каждая железа производит шелк для особой цели. Известны семь различных желез. Но разные виды пауков обладают только несколькими из этих желез, а не всеми сразу.

Железы известные как Glandula Ampulleceae — главная и вспомогательная используются для производства шелка нитей для перемещения. Glandula Pyriformes используется для производства нитей для прикрепления. Glandula Aciniformes производит нити для герметизации добычи. Glandula Tubiliformes производит нить для коконов. Glandula Coronatae используется для производства липких нитей.

Обычно у паука есть три пары прядильных органов. Но есть пауки только с одной парой или даже четырьмя парами прядильных органов. У каждого прядильного органа своя собственная функция. В прядильных органах есть маленькие трубы, которые связаны с железами. Число труб варьируется от 2 до 50.000.

Spinners

Человеческий глаз способен различать объекты с диаметром 25 мкм на расстоянии 10 см. Средний диаметр нити паука-кругопряда около 0,15 мм. Самая тонкая измеренная нить была лишь 0,02 мм. Поэтому мы способны видеть паутину только из-за отражения нитью солнечного света. Но эта тонкая нить способна остановить пчелу, летящую на полной скорости. Эта нить не только очень крепкая, но также и очень упругая. Благодаря этим свойствам шелк паука жестче, чем любые другие материалы или металлы, известные нам. Прочность материала измеряется в единицах, называемых dernier (1 dernier = 1 г на 9000 м). Нить паука имеет прочность от 5 до 8. Это означает, что нить из шелка паука разрушится под собственным весом при ее длине 45 — 72 км. Сопоставимыми материалами являются нейлон и стекло. Сталь имеет прочность приблизительно равную 3.

Фиброин

Растянутый шелк в 1, 5 и 20 раз

Из чего сделаны нити паутины? Из белка, молекулярной массы 30.000 Dalton, и производится специальными железами. Вне желез он полимеризируется в молекулу, назваемую фиброин с молекулярной массой около 300.000 Dalton. До сих пор не ясно, что активизирует процесс полимеризации.

Почему шелк, сделанный из белка, не разлагается грибками и бактериями, подобно всем другим белкам? Мы запасаем белки приготавливая пищу путем консервирования, сушки или добавления кислоты. В шелке паука есть три вещества, которые способствуют его долговечности: пиролидин, гидрофосфат калия и нитрат калия. Пиролидин можно найти в красителях и растительных ядах, он очень гигроскопичен (сильно впитывает воду). Это вещество предотвращает нить от засыхания. Пиролидин также содержится в клее ловчей сети в высокой концентрации. Гидрофосфат калия делает нить кислотной и предотвращает грибковый и бактериальный рост. Низкий pH вызывает денатурацию белков (делает их нерастворимыми). Это явление мы может наблюдать в кислом молоке. Нитрат калия предотвращает рост бактерий и грибков.

Нить паука-кругопряда Araneus diadematus очень упругая, и может быть растянута на 30-40%, прежде чем оборвется. Сталь может быть растянута только на 8%, а нейлон — где-то на 20%. На фотографии (см. выше) можно видеть, что нить паука Stegodyphus sarasinorum из-за техники переплетения может быть растянута на длину в 20 раз большую ее первоначальной длины.

Большинство пауков-кругопрядов пускают свои сети в оборот. Плетение сети отнимает много ресурсов паука. Так как они должны регулярно возобновлять сеть, они едят шелк. Только главная нить сети оставляется неповрежденной. Поэтому по утрам они обычно ткут новую сеть.

Изучая нити пауков, можно выделить две группы Cribellate и E-cribellate.

Cribellate пауки прядут тонкую пушистую паутину. Для этого у них есть структуры, подобные расческам (calamistrum), на metatarsus или на tarsus четвертых пар ног и орган cribellum, производящий дополнительный шелк расположенного перед прядильными органами spinners. Шелк вытягивается из cribellum и затем расчесывается в шерстистую структуру. Расчесанный шелк состоит из тысяч маленьких нитей, прикрепленных к более толстой. На нитях нет никакого клея, но насекомое застревает своими волосками на их теле в шелке. Более толстые нити в паутине предотвращают шелк от разрывания, не давая насекомому выбраться.

Cribellum of Aumaurobius similis

Применение шелка паука

Шелк паука используется для нескольких целей. Поленизийские рыбаки используют нить золотого паука-кругопряда (Nephila) как леску. В New-Hebrides сети паука использовали для изготовления сетей для транспортирования наконечников стрел, табака и высушенного яда для наконечников стрел. Некоторые племена в Новой Гвинеи использовали сети как шляпы, чтобы защитить головы от дождя.

В Первой мировой войне нити Araneus diadematus, Zilla atrica, Argiope aurantia и других пауков-кругопрядов использовались как перекрестие в инструментах.

В 1709 году Француз Bon de Saint-Hilaire продемонстрировал возможность создания ткани из шелка пауков. Множество коконов были вымыты, высушены, а затем была вычесана нить. Было изготовлено несколько носков и перчаток. Но экономически это оказалось не выгодно. Было подсчитано, что для того, чтобы произвести один килограмм шелка, необходимо 1,3 миллиона коконов паука.

На Мадагаскаре были предприняты некоторые попытки использовать пауков Nephil для производства шелка. Нити вручную вытаскивали из прядильных органов (spinner) паука. После истощения паука отпускали в лес и брались за следующего. Собранный шелк был красивого золотого цвета. Этот проект был тоже запрещен по многим причинам. В настоящее время ведутся попытки производить шелк искусственным путем.

Круговая сеть паука Araneus diadematus

Ловчая сеть

Можно выделить несколько форм и способов применения сети. Плоская сеть, круговая сеть, коконы, сеть в качестве дома, сеть в качестве укрытия. Наиболее известная форма — круговая сеть. Как строится эта сеть?

Круговая сеть паука Araneus diadematus

Наиболее трудная часть — строительство первой нити. Это крепкая горизонтальная нить, на которой висит вся остальная часть сети. Как паук соединяет эту нить между двумя точками? Он ведь не умеет летать. Может, он прикрепляет нить в одной точке и спускается вниз на паутине, а затем забирается на другую точку, подтягивает нить и прикрепляет ее?
Нет, все намного проще: паук создает ловчую сеть, используя ветер и удачу.

Ветер легко переносит тонкую нить, а паук делает ее длиннее и длиннее, выпуская шелк из прядильных органов. Если ему повезет, то нить зацепится в другом месте. Когда первая нить проложена удачно, паук тщательно идет по этой нити, усиливая ее второй нитью. И так до тех пор, пока первичная нить не будет достаточно прочной. После этого паук вешает нить в форме буквы Y под первичной нитью. Это три первых радиальных луча сети. Остальные лучи строятся так, чтобы расстояние между ними было достаточно маленьким для того, чтобы паук мог спокойно перемещаться между ними. Далее по спирали наносится липкая нить. Когда липкая спиральная нить нанесена, сеть готова к использованию. Но таким образом строятся не все сети, существует много разновидностей построения сетей. Сеть на картинках выше имеет в основе перевернутую букву Y. Кроме круговых сетей, пауки используют другие конструкции сетей.

Специфически использует сеть паук Deinopsis. Этот паук строит сеть между своими передними лапами и свешивается головой вниз, ожидая насекомое. Затем сеть набрасывается на жертву, и та запутывается в ней. У паука Bolas также особая техника ловли. Свое название он и получил за то, что выбрасывает нить с липким пузырем на конце перед добычей, которую привлекают химические вещества (феромоны).

Паук Trapdoor скрывается в туннеле, который сверху закрыт дверью. Когда добыча идет по сигнальной нити, дверь открывается, и паук хватает ее.

Помимо плоских, двумерных, круговых сетей, пауки семейств Linyphiidae и Theridiidae, к которым принадлежит Черная вдова, используют обьемные трехмерные сети. Linyphiidae делает горизонтальную плотную сеть и большое количество пластин из нелипких нитей выше нее. Если насекомое столкнется с нитью, то оно свалится вниз на липкую паутину и прилипнет. Theridiidae строят очень запутанную обьемную сеть, попадая в которую добыча сразу запутывается.

Объемная сеть паука Theridiidae Latrodectus

Сеть воронка funnel weaver паука Agelena

Funnel weavers строят горизонтальные сети, похожие на коврики, и ждут в туннеле в конце сети насекомых, приземлившихся на их сеть.

Пауки охотники, такие как пауки-скакуны (jumping spiders), пауки рыси (the lynx spiders) и пауки волки (wolf spiders), не используют ловчие сети для ловли добычи. Для ловли насекомых главное у них — глаза и скорость. Но они часто используют нить как страховку. При перемещении они выпускают нить. Если они падают после прыжка на жертву, паутина помогает вернуться им на исходную позицию. Паук-волк использует шелк только для создания своих укрытий и мест размножения.

Пространственная сеть паука Frontinella

Как "доят" пауков:

Рубрики:

флора и фауна
статьи
избранное

Метки: фауна насекомые пауки статьи избранное

Процитировано 1 раз
Понравилось: 1 пользователю

Паутина, пожалуй, является одним из самых удивительных материалов на нашей планете. Только вдумайтесь — у некоторых видов пауков она прочнее стали, способна сильно растягиваться и обладает антибактериальными свойствами. Не удивительно, что ученые со всего мира пытаются как можно подробнее изучить ее строение, чтобы изготавливать надежные бронежилеты и использовать ее для создания роботов. Самую прочную в мире паутину плетет так называемый дарвиновский паук (Caerostris darwini) и ученым до сих пор не было понятно, каким именно образом он создает такой удивительный материал. Эта тайна, наконец-то, раскрыта.

Ученые уже давно заметили, что паутина дарвиновских пауков в два раза прочнее паутины других видов членистоногих. Ее прочность особенно заметна при попытке порвать нити — в процессе они сильно растягиваются и если длина паутины в состоянии покоя была равна двум метрам, то при растяжении она увеличивается до четырех метров. Было ясно, что в составе паутины дарвиновских пауков есть какой-то дополнительный элемент, но какой именно, до сих пор было неизвестно.

Маленький паук

Сначала стоит рассказать о самом дарвиновском пауке. Этот вид был открыт в 2001 году в Мадагаскаре, но подробным научным описанием обзавелся только в 2009 году. Так получилось, что момент официального признания паука новым видом совпал со 150-летием со дня первой публикации книги «Происхождение видов», в котором английский натуралист Чарлз Дарвин рассказал свою теорию эволюции. Именно поэтому новый вид пауков был назван «дарвиновским».

Дарвиновский паук (Caerostris darwini)

Сами по себе эти пауки очень маленькие — длина самок достигает 18 миллиметров, а длина тела самцов равна примерно 6 миллиметрам. Обычно они плетут паутину над реками и в итоге у них получается липкая и прочная сеть для ловли насекомых. Диаметр такой сетки порой составляет 2,8 метра, причем длина одной нити может достигать 25 метров.

Самый прочный материал

Чтобы узнать, что именно придает паутине дарвиновских пауков такую прочность, ученые извлекли из их тел клетки, которые отвечают за ее выработку. Так как паутина по своей сути является белковым волокном, в ее составе, как не удивительно, были найдены белки под названиями MaSp1 и MaSp2. Они есть в составе паутины практически всех пауков, однако в нитях дарвиновских созданий был обнаружен еще один, дополнительный белок MaSp4. В нем содержится много так называемого пролина, который отвечает за способность материалов растягиваться — это и есть одна из причин прочности паутины.

Прочная паутина дарвиновского паука

Помимо этого, ученые нашли еще одну особенность дарвиновских пауков, позволяющих им плести такой прочный материал. В отличие от других видов пауков, они обладают более длинными прядильными органами, которые позволяют белковым волокнам соединяться друг с другом прочнее и ровнее. Благодаря упорядоченной и плотной структуре, такая паутина получается максимально прочной и не теряет свою гибкость.

Паучий шелк

Теперь, раскрыв секрет прочной паутины, ученые смогут создать синтетический паучий шелк, пригодный для использования в бронежилетах и медицинском оборудовании. Примечательно, что паучий шелк был открыт еще в древнем Китае и на данный момент цена одного квадратного метра этого материала стоит более 500 000 долларов. Новое открытие не только снизит стоимость паучьего шелка, но и придаст ему дополнительную прочность.

Вот еще кое-что интересное: Осы превращают пауков в «зомби» при помощи стероидного гормона

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на нашем сайте.

Свободное общение и обсуждение материалов

Красивая трава со звучным названием розмарин используется в кулинарии и медицине. Это растение богато полезными для здоровья антиоксидантами и эфирными кисло…

Вирусы печально известны своей способностью вызывать болезни, делая нас слабыми и немощными, но куда менее известна их тесная связь с человеческой биологией….

По данным за 2013 год, научному сообществу известно о существовании более 1,6 миллионов видов животных. О самых интересных из них мы регулярно рассказываем и…

Читайте также: