Светящаяся паутина и шелк с нанотрубками: ученые готовы превратить животных и растения в фабрики для производства материалов будущего.

Мастерство плетения волокон насекомые и пауки оттачивали сотни миллионов лет, научившись создавать материалы невероятно прочные и легкие, биосовместимые и химически инертные. Жаль, что применение их человеком уже тысячелетия сводится к банальному производству шелковых тканей — хотя чем лучше мы узнаём свойства этих биоволокон, тем больше это похоже на забивание гвоздей микроскопом. Взять хотя бы паутину — материал надежнее стали (предел прочности на разрыв 1,0−2,7 ГПа) и легче углеволокна (плотность 1,3−1,4 г/см3). Ее свойства сравнимы с лучшими вариантами кевлара и даже новомодных волокон, дополнительно укрепленных молекулярными «узелками» на полимерных цепочках. Из паутины вышли бы отличная одежда и тросы, прочные биоразлагаемые пакеты, хирургические нити и даже бронежилеты.

Эти свойства вырастают из сложной структуры паучьей нити. Паутинные белки, такие как спидроин, выделяются специальными железами и состоят в основном из аминокислот глицина и аланина. По мере того как на воздухе секрет твердеет, небольшой и подвижный глицин образует упругую и аморфную основу структуры, тогда как аланин организуется в прочные «кристаллические» домены, которые могут дополнительно скрепляться сульфидными мостиками аминокислотных остатков серина. Это настоящий биокомпозит, сложная структура которого позволяет добиться уникальных характеристик. В аморфную основу могут включаться и дополнительные молекулы, придающие паутине новые свойства: например, пирролидин отпугивает муравьев, а заодно активно поглощает воду, поддерживая паутину в оптимально увлажненном состоянии.

Армирование

Наличие таких «легирующих» соединений не редкость для природных полимеров. Включения металлов укрепляют челюсти некоторых насекомых, а минеральные кристаллы делают зубы брюхоногих морских блюдечек самым прочным из всех природных материалов. Неудивительно, что и ученые пытаются улучшить свойства паутины внесением искусственных добавок — наночастиц, углеродных нанотрубок и даже полупроводниковых микрокристаллов теллурида кадмия, покрытие из которых заставило паутину флуоресцировать. Как правило, их просто напыляют на нить. Внедрить частицы в ее структуру не удавалось, пока итальянско-британский физик Никола Пуньо не опрыскал животных водой с графеновыми хлопьями и нанотрубками.

В 2015 году его команде удалось показать, что такой простой метод работает: нужные добавки попадали в паутинную нить, в разы повысив ее прочность и устойчивость на разрыв. Этим подходом сразу же воспользовались китайские ученые, применив тот же способ для получения шелковых волокон вдвое большей прочности. Тем временем профессор Пуньо усовершенствовал свой метод и в сентябре 2017 года опубликовал результаты изучения нитей полутора десятков разных пауков, которых поили водой с разведенными в ней одностенными нанотрубками или графеном. Максимальные показатели их паутины оказались намного лучше, чем у натуральной: благодаря нанотрубкам одна из нитей сумела выдержать нагрузку до 5400 МПа и поглотить до 1567 Дж/г энергии, прежде чем разрушиться. «Процедуру естественного армирования можно использовать и для других животных и растений, — уверены Пуньо и соавторы его работы, — это приведет к появлению нового класса инновационных бионикомпозитов».

Производство

Итальянский профессор пытается соединить нано- и биотехнологии уже не первый год. Он даже запатентовал метод получения «армированной» нанотрубками пористой резины, полости в которой создает ферментация дрожжей. Теперь Пуньо, похоже, собирается превратить живые организмы в экологически чистые фабрики перспективных материалов. В самом деле, такие биокомпозиты, как хитиновые зубы брюхоногих моллюсков или паутина, превосходят многие искусственные аналоги, и ученые не оставляют попыток создать технологии их промышленного синтеза и модификации. Из паутинных желез им удается извлекать спидроин и использовать его для формования волоконных нитей электростатическим и другими методами. Однако все это подходы сложные, лабораторные, и масштабировать их в экономически оправданное производство пока не получается.

Да и нужны ли они, если у нас под рукой ползают, плавают и просто растут эффективные естественные производители: брюхоногие фабрики хитина, паукообразные доноры спидроина, усиленного нановолокном… На наш вопрос, какие именно материалы можно было бы «улучшить» таким образом, Никола Пуньо ответил: «Да буквально все, включая естественную броню жуков, древесину и т. п.» По словам ученого, такие решения не только позволят добиться лучших свойств материалов, но и сделают их безопасными для применения даже в медицине. Ну а как насчет повышения крепости наших костей внедрением в них нанотрубок? «Пока что это звучит слишком фантастически, — говорит профессор Пуньо, — но, впрочем, никогда не говори «никогда»».

Каких пока не существующих материалов вы ждете от ближайшего будущего?


Артем Оганов. Химик, специалист по компьютерному дизайну новых материалов

№ 1 Сверхпроводники. Появилась реальная надежда на создание веществ, которые сохраняют нулевое сопротивление даже при обычных температуре и давлении. Ключевую роль в их поиске будут играть расчеты — например, рекордно высокотемпературный сверхпроводник H3S (-70 °C) был сначала теоре>тически предсказан китайскими учеными с помощью моего метода и лишь затем синтезирован. С появлением комнатных сверхпроводников произойдет революция, а последствия любой революции непредсказуемы.

№ 2 Термоэлектрики — материалы, которые преобразуют тепло в электричество. Существуют уже сейчас, но их применение ограниченно из-за малого КПД. Если удастся увеличить эффективность хотя бы вдвое, откроются совершенно новые ниши: термоэлектрики будут собирать паразитное тепло в автомобилях и самолетах, обеспечат одежду системой «климат-контроля». Расчеты показывают, что это вполне возможно.

№ 3 Материалы для фотокатализа. Под действием света они переходят в возбужденное состояние и могут ускорять такие реакции, как, например, расщепление воды с получением водорода или синтез «искусственного бензина» из воды и CO2. Последствия понятны — революция в энергетике.

№ 4 Новые магниты. Почти все хорошие магниты включают дорогие и сложные в добыче редкоземельные элементы. От этого очень хочется избавиться, и в ближайшее время эта задача может быть решена. Если при этом еще и удастся повысить эффективность (возможно ли это, пока неясно, тут есть сомнения), станут доступны принципиально новые типы двигателей.


Статья «Живые фабрики» опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2017).