Сегодняшняя статья в Nature Materials рассматривает микроскопическую структуру паучьего шелка и раскрывает уникальные характеристики того, как он передает фононы, квазичастицы звука.Исследование впервые показывает, что у паучьего шелка есть фононная запрещенная зона.
Это означает, что он может блокировать фононные волны на определенных частотах таким же образом, как электронная запрещенная зона — основное свойство полупроводниковых материалов — позволяет одним электронам проходить и останавливать другие.Исследователи написали, что их наблюдение является первым открытием «гиперзвуковой фононной запрещенной зоны в биологическом материале».
Каким образом паук использует это свойство, еще предстоит понять, но, по словам специалиста по материалам и декана отдела инженерных разработок Райс Эдвина Томаса, соавтора статьи, есть четкие последствия для материалов. Он предположил, что кристаллическая микроструктура паучьего шелка может быть воспроизведена в других полимерах. Это может дать возможность настраивать динамические метаматериалы, такие как фононные волноводы, и создать новую звуко- или теплоизоляцию, поскольку тепло распространяется через твердые тела через фононы.
«Фононы — это механические волны, — сказал Томас, — и если материал имеет области с разными модулями упругости и плотностью, тогда волны ощущают это и делают то же, что и волны: они рассеиваются. Детали рассеяния зависят от расположения и механических связей. различных областей в материале, из которого они рассеиваются ".Пауки умеют посылать и считывать вибрации в сети, используя их для обнаружения дефектов и определения того, когда приходит «еда». Соответственно, шелк обладает способностью передавать широкий спектр звуков, которые, по мнению ученых, паук может интерпретировать по-разному.
Но исследователи обнаружили, что шелк также может заглушать некоторые звуки.«(Паучий) шелк имеет множество различных интересных микроструктур, и наша группа обнаружила, что мы можем контролировать положение запрещенной зоны, изменяя напряжение в шелковом волокне», — сказал Томас. «Есть диапазон частот, которые не могут распространяться. Если вы транслируете звук на определенной частоте, он не попадет в материал».В 2005 году Томас объединился с Джорджем Фитасом, ученым-материаловедом из Университета Крита и Института электронной структуры и Фонда лазерных исследований и технологий Эллада, Греция, над проектом по определению свойств гиперзвуковых фононных кристаллов.
В этой работе исследователи измерили распространение фононов и обнаружили запрещенные зоны в кристаллах синтетического полимера, выровненные через равные промежутки времени.«Фононные кристаллы дают вам возможность манипулировать звуковыми волнами, и если вы получаете достаточно маленький звук и достаточно высокие частоты, вы говорите о тепле», — сказал Томас. «Возможность создать тепловой поток таким образом, а не таким, или сделать так, чтобы он не мог течь вообще, означает, что вы превращаете материал в теплоизолятор, которого раньше не было».Фитас и Томас решили более подробно изучить шелк драглайна, который пауки используют для создания внешнего обода и спиц паутины, а также в качестве спасательного круга. (Паук, подвешенный в воздухе, цепляется за драглайн.) Хотя шелк изучается в течение тысяч лет, его акустические свойства были проанализированы только недавно.
Шелк — это иерархическая структура, состоящая из белка, который складывается в листы и образует кристаллы. По словам Томаса, эти твердые кристаллы протеина связаны между собой более мягкими аморфными цепями. Растяжение или ослабление соединяющих цепей изменяет акустические свойства шелка, регулируя механическое соединение между кристаллами.
Команда Фитаса из Института исследований полимеров им. Макса Планка в Майнце, Германия, провела эксперименты по рассеянию света Бриллюэна, чтобы протестировать шелк, подвергнутый различной степени нагрузки. «Это был гений Джорджа», — сказал Томас. «Используя рассеяние Бриллюэна, вы используете свет для создания фононов, а также для поглощения их из образца.
BLS позволяет вам видеть, как фононы перемещаются внутри любого объекта в зависимости от температуры и микроструктуры материала».Они обнаружили, что, когда шелк был «супер-сжатым», скорость фононов уменьшалась на 15 процентов, в то время как ширина полосы частот, которую он мог блокировать, увеличивалась на 31 процент.
И наоборот, при напряжении скорость увеличивалась примерно на 27 процентов, а полоса пропускания уменьшалась на 33 процента. Сначала они наблюдали ширину запрещенной зоны в нативном (неконтактном) шелке около 14,8 гигагерц и шириной около 5,2 гигагерца.Не менее интересным для команды была «уникальная область отрицательной групповой скорости», свидетелями которой они стали.
По словам Томаса, в этих условиях, несмотря на то, что фононные волны движутся вперед, фазовая скорость движется назад. Они предположили, что эффект может позволить фокусировать гиперзвуковые фононы.
«Прямо сейчас мы не знаем, как сделать что-либо из других материалов из макромолекулярных волокон», — сказал Томас. «Было проведено изрядное количество исследований синтетических полимеров, таких как нейлон, но никто так и не обнаружил запрещенную зону».