Mokslininkai vorus privertė pagaminti tai, ko žmogus nesugebėtų

Voratinklis – viena įdomiausių medžiagų, žinomų mokslui. Iš baltymo sudarytas pluoštas, mezgamas vorų, yra tvirtesnis praktiškai už viską, ką šiandien sugeba pagaminti žmogus.

Atraminės gijos, kuriomis vorai sutvirtina išorinį voratinklio pakraštį ir iš kurio mezga voratinklio stipinus, yra neįtikėtinos: jos net aukščiausios kokybės plieno lydiniams prilygsta atsparumu tempimui, tačiau jų tankis yra maždaug šešis kartus mažesnis. Be to, voratinklis yra neįtikėtinai elastingas – jis gali išsitempti iki penkis kartus už įprastinį didesnio ilgio ir grįžti į pradinę būseną. Tokia patvarumo ir elastingumo kombinacija voratinkliui suteikia neįtikėtinų savybių: jis tvirtumu prilygsta net pačiam pažangiausiam anglies pluoštui – tokiam, kaip kevlaras.

Taigi, savaime suprantama, sugebėjimas dar labiau padidinti voratinklio atsparumą ir tvirtumą būtų visiškai neįtikėtinas dalykas. Dėl to sužinojus, ką sugebėjo padaryti Trento universiteto (Italija) mokslininkas Emiliano Lepore su kolegomis, iš netikėtumo net žandikaulis gali atvipti.

Šie mokslininkai rado būdą voratinklį „praturtinti“ anglies nanovamzdeliais bei grafenu, tokiu būdu voratinklio gijų atsparumą tempimui ir tvirtumą padidinus tiek, kad anksčiau apie tai net svajoti buvo nedrąsu. Gautos naujosios medžiagos savybės, tokios, kaip atsparumo lenkimui modulis, Jungo modulis, tamprumo modulis, buvo geresnės nei bet kokios kitos iki šiol tirtos medžiagos.

Mokslininkų darbo metodas buvo ganėtinai paprastas. Tyrime jie naudojo 15 Pholcidae vorų, surinktų vietinėse Italijos pievose, ir laikė juos kontroliuojamoje laboratorijos aplinkoje. Po kurio laiko jie surinko atraminių gijų mėginius kaip etaloną palyginimui.

O vėliau buvo pritaikytas neįtikėtinas voratinklio patobulinimo anglies nanovamzdeliais ir grafeno atplaišomis būdas: vorai buvo tiesiog apipurkšti vandeniniu šių anglies darinių tirpalu. Po tokios procedūros pagaminto voratinklio mechaninės savybės buvo lyginamos su pradiniu voratinkliu.

Kiekvieną šilko giją mokslininkai analizavo įtvirtindami ją C raidės formos kartoniniame laikiklyje, kuris buvo patalpintas į aparatą, galintį išmatuoti krūvį voratinklio gijai 15 nanoniutonų (nN) tikslumu bei gijos ilgio pokyti 0,1 nanometro (nm) tikslumu.

Rezultatai išties įspūdingi. „Mūsų išmatuotas atsparumas lenkimui buvo iki 5,4 GPa, Jungo modulis – iki 47,8 GPa, tamprumo modulis iki 2,1 GPa. Tai – pats didžiausias žinomas pluošto tamprumo modulis, lenkiantis sintetinių polimerinių aukštos kokybės pluoštų (tokių, kaip „Kevlar49“) ir netgi pačių šiuo metu tampriausių mazginių pluoštų analogišką rodiklį“, – sakė E. Lepore.

Kitaip tariant, vorus laistant vandeniu su anglies vamzdeliais ir grafenu, jie pradeda gaminti voratinklį, kuris stipresnis už bet kokį žmogaus pagaminamą pluoštą.

Šis tyrimas iškėlė keletą įdomių klausimų. Iš kurių svarbiausias – kokiu tiksliai būdu vorai sugebėjo perkelti ant odos patekusius nanovamzdelius ir grafeną į savo voratinklį? Mokslininkai spektroskopiniais tyrimo metodais įrodė, kad voratinklio gijose yra ir vamzdelių, ir grafeno, tačiau kaip jie ten atsirado – paaiškinti nesugeba.

Iškelta viena hipotezė, kad voratinklio gijos nanovamzdeliais ir grafenu pasidengia jau po nuvijimo. Tokios hipotezės E. Lepore ir jo kolegos paneigti negali, tačiau jie tikina, kad tai yra mažai tikėtina, nes išoriškai padengta struktūra neturėtų pasižymėt išmatuotomis savybėmis. „Nemanome, kad toks išorinis pluošto padengimas galėtų reikšmingai prisidėti prie stebėto mechaninio sutvirtinimo“, – sakė mokslininkų grupės vadovas.

Anot jo, labiau tikėtina, kad vorai vandenį, kartu su nanovamzdeliais patekusį ant odos, praryja, o vėliau šios mikroskopinės struktūros patenka į voratinklį jo vijimo metu. Taigi, ir nanovamzdeliai, ir grafenas patenka į kiekvienos gijos centrinę dalį, kur jų poveikis mechaninėms savybėms būtų stipriausias.

Mokslininkai netgi atliko tokio pluošto molekulinės struktūros modeliavimą ir tikina, kad jų modelio ir eksperimentinių matavimų rezultatai yra artimi.

Savaime suprantama, vien šis eksperimentas nereiškia, kad jau rytoj bus pradėta naujoviškų neperšaunamų liemenių ar kitų produktų gamyba: kol kas dar nėra išvystytas pakankamai efektyvus voratinklio rinkimo būdas, nors bandymų tikrai yra. Taigi, svarbus žingsnis pirmyn būtų tokio metodo, kurį būtų galima pritaikyti pramoniniais mastais, sukūrimas. Tik tuomet voratinklį būtų galima pradėti pačiose įvairiausiose kasdieninėse srityse nuo žmogaus audinių taisymo iki aprangos dizaino.

Tai nėra pirmas kartas, kai mokslininkai bando modifikuoti voratinklį. Įvairios mokslinės grupės į gijas bandė pridėti metalinių elementų apdorodami voratinklio gijas atitinkamais garais. Tokiu būdu jiems pavyko reikšmingai padidinti šilko tvirtumą ir tamprumą, tačiau iki E. Lepore pasiekto rezultato jiems buvo labai toli.

Ir tai yra labai įspūdinga: neįtikėtinos voratinklio savybės yra 400 mln. metų trukusios jų evoliucijos rezultatas. O mokslininkai sugebėjo akimirksniu patobulinti tiek ilgai užtrukusį procesą.

Be to, jų taikyto metodo paprastumas yra ženklas, kad panašiu būdu būtų galima modifikuoti ir kitus organizmus. „Naujoji sutvirtinimo procedūra galėtų būti taikoma ir kitiems gyvūnams bei augalams, taip sukuriant naują bioninių medžiagų klasę“, – svarstė mokslininkai.

Tyrimo ataskaitą galima rasti šioje svetainėje.