Мідії навчили хіміків робити жорсткі розтягувані нитки

Хімікам вдалося розробити новий тип надміцних пружних ниток, які можуть звернемо розтягуватися на 30 відсотків, при цьому зберігаючи високу жорсткість і міцність на розрив. Як прообразу таких матеріалів вчені використовували бісусні нитки, які деякі двостворчасті молюски використовують для закріплення на поверхні. Результати дослідження опубліковані в.

Для закріплення на субстраті багато двостворчастих молюсків, наприклад мідії, використовують бісус - білкові нитки, які виділяються спеціальними залізами в рідкій формі і затвердівають при контакті з водою. Така нитка складається з циліндричного колагенового ядра, яке покрито білковою кутикулою. Структура та хімічний склад таких ниток надають їм унікальні механічні властивості: вони є одночасно дуже міцними і пружними.

Створення штучних полімерних ниток з аналогічними властивостями все ще залишається актуальним завданням, і як правило, одним з двох параметрів - здатністю розтягуватися або жорсткістю і максимальним навантаженням, - доводиться жертвувати. На сьогоднішній день запропоновано досить велику кількість різних механізмів, за якими полімерні нитки можуть покращувати свої механічні параметри за рахунок електростатичної взаємодії, утворення водневих зв'язків, або формування складної структури зшивок всередині волокна, але жоден з них не дав очікуваного результату.

У своїй новій роботі хіміки зі США та Німеччини синтезували нитки, прообразом яких були бісусні нитки каліфорнійської та чорноморської мідій. До унікальних механічних властивостей їх білків призводить взаємодія іона заліза Fe³ + c амінокислотою, що містить пірокатехін: бензольне кільце з двома гідроксильними групами у сусідніх атомів вуглецю. Раніше вчені вже намагалися використовувати такі комплекси для створення штучних ниток, але досліди проводили у водних умовах, і взаємодія з водою призводила до ослаблення зв'язків і погіршення механічних властивостей.

Автори цієї роботи вирішили зробити суху нитку, в якій наявність комплексів між пірокатехіном і іоном заліза може призвести до зміцнення і підвищення пружності. Основу полімерної структури нитки склали ланцюжки поліетиленгліколю, в яку вводилися ароматичні групи необхідної структури. Гідроліз приводив до утворення пірокатехінових груп, після чого в структуру вводилися іони заліза. Кожен з іонів утворював хімічний комплекс з трьома такими групами, координуючи навколо себе шість атомів кисню. Аналіз структури отриманої нитки показав, що середня відстань межа найближчими іонами заліза склала близько 9 нанометрів.

Отриману таким чином нитку дослідники висушували, після чого вимірювали її механічні характеристики. Отримані дані порівнювали для ниток, що містять іони заліза і повністю аналогічних матеріалів, але без заліза. Виявилося, що додавання іонів заліза в структуру значно підвищує як упругість, так і міцність нитки при розтягненні. Так, коефіцієнт пружності при додаванні заліза виріс відразу в 770 разів і склав 184 мегапаскаля, а міцність на розрив збільшилася приблизно в 60 разів до значення 22 мегапаскаля. Такий ефект вчені пояснюють зворотною реакцією утворення комплексів між залізом і пірокатехіновими групами, яка призводить до виникнення жорстких нанодоменів, що збільшують жорсткість нитки.

Крім того, при розтягненнях до 30 відсотків така нитка поводиться як абсолютно упруга і повністю відновлює свою початкову довжину після зняття навантаження. При більших деформаціях хімічна структура нитки починає перебудовуватися, що призводить до виникнення залишкових деформацій.

Вчені відзначають, що вологість або окислювальні умови можуть помітно погіршити механічні властивості запропонованого матеріалу, проте в умовах малої вологості використання таких полімерних ниток для різних механічних додатків видається досить перспективними.

Раніше хіміки з Університету Каліфорії розкрили молекулярний механізм, завдяки якому мідії та інші молюски можуть прикріплюватися до каменів у солоній воді. Ця здатність виявилася пов'язана з виробленням спеціальних білків, що містять одночасно два типи амінокислот: тих, що забезпечують пов'язування з поверхнею і тих, що розчищають цю поверхню для зв'язування.