Изображение клыка паука, наложенного на шелковое волокно, полученное с помощью оптического микроскопа. Источник: Университет Тренто
Когда мы думаем о пауках, первое, что приходит на ум, — это их способность плести сложные и прочные сети. Но их способность резать собственный шелк — самый прочный натуральный материал — и прочные или жесткие синтетические волокна, такие как углерод или кевлар, известна гораздо меньше.
Исследовательская группа, координируемая Университетом Тренто, попыталась понять, как это возможно. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Science.
Ученые долгое время считали, что секрет этой эффективной и точной режущей способности заключается в химии или, другими словами, в способности пауков вырабатывать фермент, способный растворять шелковые волокна. Однако одного этого механизма недостаточно, чтобы объяснить скорость, с которой пауки выполняют эту операцию, например, в опасной ситуации.
«Исследование возникло из любопытства понять, как пауки взаимодействуют с материалами, которые им не принадлежат», — объясняют Никола Пуньо, профессор кафедры твердого тела и структурной механики в UniTrento и автор-корреспондент, и Габриэле Греко, научный сотрудник Шведского университета сельскохозяйственных наук и Университета Тренто, корреспондент и первый автор исследования
«Мы создали паутину, используя синтетические нити одинакового размера», то есть углеродные или кевларовые нити. «Но мы также хотели понять, как паукам удается разрезать свой шелк, очень прочный и чрезвычайно жесткий материал, в дополнение к искусственным нитям».
-
Накатка клыка паука с помощью сканирующего электронного микроскопа. Кредит: Università di Trento
-
Кевларовое волокно, разрезаемое пауком, с помощью сканирующего электронного микроскопа. Кредит: Университет Тренто
-
Никола Пуньо с пауком. Фото: UniTrento — Ph. Alessio Coser
Установив, что химия не может быть единственным объяснением, команда сосредоточилась на механическом воздействии и наблюдала за пауками под сканирующим электронным микроскопом.
Оказалось, что секрет такого точного и эффективного реза кроется в морфологии клыков. Фактически, существует функционально градуированное расстояние между последовательными зубцами, и это расстояние увеличивается от вершины клыка.
Волокно, которое нужно разрезать, скользит внутрь, пока не зафиксируется на зубчатом крае сопоставимого размера. Благодаря этой особой геометрии точки контакта, усилие, необходимое для разрезания волокон, минимально, а эффективность резки максимальна.
Результаты этого исследования предоставляют ценную информацию для понимания того, как пауки способны разрезать материалы высокой прочности и вязкости, с интересными перспективами для применения в других областях. «Новая теория, — заключает Пуньо, — может помочь разработать более острые и эффективные инструменты, вдохновленные паучьими клыками. Например, для резки дерева, металла, камня, продуктов питания или волос».
Дополнительная информация: Габриэле Греко и др., Функционально-градуированные зазубренные клыки позволяют паукам механически резать шелковые, углеродные и кевларовые волокна, Advanced Science (2024). DOI: 10.1002/advs.202406079
Информация о журнале: Advanced Science
Предоставлено Университетом Тренто
