Шелк - это потрясающая ткань, но это также материал, который способен на многое другое. В лучшем случае шелк может выдержать даже больше, чем сталь, если его потянуть. Если вы сможете достать достаточно высококачественного шелка, вы можете подумать об изготовлении шелковых датчиков тела и шелковых бронежилетов.
Но здесь кроется проблема. Получить достаточное количество шелка очень сложно.
Пауки производят самый прочный шелк, о котором мы знаем. К сожалению, паучий шелк трудно достать - конечно, его очень трудно получить в достаточном количестве для большинства целей, если только вы не найдете альтернативу, которой еще не существует. Но ученые, возможно, именно это и сделали, опубликовав в четверг статью в журнале "Материя", изменив свойства более слабого, но гораздо более распространенного шелкопряда так, чтобы он был даже прочнее паучьего шелка.
"Мы надеемся, что эта работа открывает перспективный путь к производству рентабельного высокопроизводительного искусственного шелка", - говорит Чжи Линь, биохимик из Тяньцзиньского университета на севере Китая и один из авторов статьи, в пресс-релизе. Черви одомашненной шелковой моли, Bombyx mori, являются, безусловно, самым плодовитым источником шелка. Люди на территории современного Китая, по-видимому, одомашнили шелкопряда около 6000 лет назад, и то, что они соткали из волокон этих животных, стало известным во всем мире предметом роскоши. Шелк дал название Шелковому пути, сети торговых маршрутов, которые на протяжении веков связывали народы и культуры по всей старой Евразии. Шелк даже был замешан в самом раннем зарегистрированном случае промышленного шпионажа, когда два византийских монаха якобы тайно переправили шелковичных червей на запад по Шелковому пути, спрятав их в полых тростях.
Но даже в досовременные времена мы знали, что шелкопряды не обязательно делают самый лучший шелк. Черви создают свой шелк, формируя коконы. Это, в общем, прекрасно подходит для изготовления текстиля, но для получения действительно упругих свойств этого недостаточно. (Шелкопряды также не производят его в большом количестве - для получения одного фунта шелка требуются сотни шелкопрядов, а его сбор часто смертелен для червей).
Существует целый зверинец животных, которые могут делать шелк - карпы, мидии, многие насекомые и многие другие, но самый прочный шелк получают от пауков. Паук может делать несколько различных типов шелка в зависимости от поставленной задачи: например, один тип для создания яйцевых мешков, а другой - для фиксации добычи.
Самый прочный из них - это шелк драглайн, который пауки прядут для самых важных линий своей паутины. Это также шелк, из которого пауки свисают. В лучшем случае драглинный шелк может сравниться с высококачественной сталью по прочности на разрыв: насколько прочен материал при растяжении или растяжении.
Если вы задаетесь вопросом, почему инженеры до сих пор не создали мостовые тросы из паучьего шелка, то это серьезная проблема. Паучьего шелка просто не так много. "Нам всегда приходится бороться за его получение", - говорит Ханнес Шнипп, материаловед из Колледжа Уильяма и Марии в Вирджинии, который не участвовал в работе над новой статьей и чья лаборатория изучает лентовидный шелк ядовитого коричневого паука-отшельника.
Более десяти лет назад текстильщики использовали шелк более миллиона пауков, чтобы соткать одно полотно размером 11 на 4 фута. Получить миллион пауков - не маленький подвиг, особенно потому, что их очень трудно приручить: Они слишком территориальны и агрессивны.
Возможно, существуют способы получения шелка без животных, но ученые пока не смогли довести их до совершенства. Несколько стартапов уже пробуют свои силы (или, возможно, свой спиннерет), но, несмотря на смелые обещания изобилия паучьего шелка, их продукция не вполне соответствует всем впечатляющим свойствам органического изделия.
Ученые испробовали множество трюков, чтобы сравниться с тем, на что способны пауки. Идея XXI века заключается в том, чтобы внедрить ДНК паука в шелкопряда. Недавно с этой целью ученые из нескольких китайских институтов объединили усилия для составления карты генома Bombyx mori. Но это еще не привело к созданию эффективного искусственного шелка.
Ученые, работавшие над последней статьей, использовали другой подход: они пряли шелк из червей, как это мог бы делать паук.
Шелк тутового шелкопряда обычно состоит из белковых волокон, покрытых веществом, похожим на клей. Этот клей помогает волокнам шелка держаться вместе в коконе, но он мешает его прядению. Поэтому его необходимо удалить. Исследователи сделали это, искупав волокна в кислоте под названием HFIP - веществе, которое химики-органики часто используют для растворения белков.
В ходе процесса полученные волокна были помещены в другую ванну, наполненную ионами цинка и железа, которые соединились с шелком и укрепили его. В этой ванне исследователи использовали специально сконструированную машину для прядения нитей, растягивая каждую из них до длины, в три раза превышающей ее первоначальную длину.
После сушки нитей исследователи получили шелк, который не просто соответствовал по прочности на разрыв шелку паука-драглайна. Он превосходил его. В ходе испытаний они обнаружили, что только что созданный ими шелк - идентичный по внешнему виду паучьему драглинному шелку - был на 70 процентов прочнее. Он также был более чем в два раза прочнее натурального шелка шелкопряда, лишенного клея.
[Похожие: Белки паучьего шелка могут стать ключом к будущим методам лечения рака]
"Наш вывод опровергает прежнее мнение о том, что шелк шелкопряда не может конкурировать с паучьим шелком по механическим характеристикам", - говорит Лин.
Этот процесс, по словам Шниппа, не совсем новый. Ученые-шелководы уже давно пытаются усовершенствовать свойства шелка тутового шелкопряда. Но им никогда не удавалось создать "шелк шелкопряда, превосходящий паучий шелк - это определенно не то, чего я ожидал, что это будет так просто", - говорит Шнипп.
Этот подход не решит всех проблем, связанных с производством шелка в больших количествах. Вам все равно придется получать шелк от шелкопрядов, а не выращивать белки в лаборатории, как это пытаются сделать некоторые. Кроме того, HFIP не подходит для массового производства: он дорог и довольно токсичен.
Но ученые говорят, что этот эксперимент, в конечном счете, может стать нитью, по которой будут идти исследователи.