Ученых поразили акустические свойства паутины

Новые открытия в сфере паучьего шелка могут вдохновить создание новых материалов, которые способны управлять звуком и теплом так же, как полупроводниковые микросхемы управляют электронами.

Об этом сообщили ученые из университета Райса (США), а также из Европы и Сингапура. Результаты опубликованы в издании Nature Materials.

Они обратили внимание на микроскопическую структуру паучьего шелка и выявили уникальные особенности, которые позволяют передавать фононы — квазичастицы звука.

Оказывается, паучий шелк имеет ширину запрещенной зоны фононов. Она способна блокировать фононовые волны подобно тому, как электронная ширина запрещенной зоны — основное свойство полупроводников — может блокировать одни электроны и пропускать другие.

По словам ученых, это первое такое открытие гиперзвуковой фононовой ширины запрещенной зоны в биологическом материале.

Перспективная паутина

— Пока не ясно, как использует это свойство паук, а вот как люди могли бы использовать, идеи есть, заявил соавтор статьи Эдвин Томас.

Ученый предположил, что кристаллическую микроструктуру паучьего шелка можно реплицировать в других полимерах. Так удастся получить настраиваемые динамические метаматериалы, такие как фононовые волноводы и новейшие звуковые и тепловые изоляторы, поскольку высокая температура проходит через твердые тела в виде фононов.

— Фононы — это механические волны, отметил Томас. — И если у материала есть области разной эластичности и плотности, то волны делают то, что и должны делать волны: они рассеиваются. Детали рассеивания базируются на упорядоченности и механическом спаривании разных областей в пределах материала, из которого они рассеиваются.

Пауки преуспели в отправке и считывании вибраций паутины; так они определяют местонахождение дефектов и узнают о том, что в сеть угодила еда.

Соответственно, шелк способен передавать широкий диапазон звуков, которые, как полагают ученые, пауки интерпретируют разными способами.

Ученые выяснили, что также шелк способен глушить некоторые звуки.

— В паучьем шелке есть множество различных интересных микроструктур, и наша группа выяснила, что можно управлять шириной запрещенной зоны, изменяя натяжение шелковых волокон, заявил Томас. — Существует целый диапазон инертных частот. И если передавать звук на одной из них, он не войдет в материал.

Ученые установили, что когда шелк ослаблен, скорость фононов в нем замедляется на 15%, а полоса пропускания частот, которые он блокирует, увеличивается на 31%. И, напротив, в состоянии натяжения скорость возрастает на 27%, а полоса пропускания уменьшается на 33%.