Как из паутины сделали стеклянное волокно тоньше волоса

Пауки здесь ничего нового не плели — их просто ограбили. Инженеры Калифорнийского университета в Риверсайде взяли готовую нить мадагаскарского паука-кругопряда, одели её в стекло, а саму паутину выжгли. Осталась полая трубка шириной около микрона, по которой можно пускать свет.

Паутина вместо формы

Оптоволокно тянут из расплавленного стекла, и чем тоньше нужна нить, тем труднее её получить ровной. В Риверсайде зашли с другой стороны: зачем тянуть тонкую нить, если природа уже сделала её сама. Паучий шёлк тонок и прочен — готовый каркас, который осталось только обернуть.

Технология, о которой в марте 2003 года рассказал журнал New Scientist, укладывается в два шага. Нить покрывают тетраэтоксисиланом — жидкостью, из которой при высыхании образуется слой кремнезёма, то есть по сути стекла. Затем заготовку обжигают. Белок паутины сгорает, а стеклянная оболочка остаётся — пустая внутри, по форме исчезнувшей нити.

Мадагаскарский паук и самая тонкая нить

Для первых опытов взяли шёлк Nephila madagascariensis — крупного мадагаскарского паука-кругопряда, который плетёт большие сети. Его нить достаточно толстая, чтобы с ней было удобно работать, и трубки из неё вышли около микрометра в поперечнике. Это в десятки раз тоньше человеческого волоса.

На этом останавливаться не собирались. Следующим кандидатом назвали паука Stegodyphus pacificus, у которого известна самая тонкая паутина — около десяти нанометров. Из такой нити, по расчётам авторов, получился бы световод с каналом всего в пару нанометров. Таким волокнам прочили место в будущих оптических схемах нанометрового размера.

Работу готовили к публикации в Journal of Materials Chemistry.

Зачем такие трубки

Коллеги из Британии встретили идею с интересом. Физик Филип Расселл из Батского университета видел в ней путь к крошечным датчикам. Химик Кристофер Вайни из Университета Хериот-Уотт говорил о микроскопии: зонд с таким тонким световодом позволил бы оптическому микроскопу различать детали мельче, чем обычно, и, по его словам, открыл бы биологам целые новые горизонты.

Объяснение простое. Обычный микроскоп упирается в длину световой волны: мельче примерно половины её деталь не разглядеть. Ближнепольные микроскопы обходят этот предел, подводя свет к образцу через отверстие тоньше волны. Чем тоньше и ровнее световод, тем мельче то, что удаётся увидеть.

Свет по живой паутине

Позже выяснилось, что паутину можно и не выжигать. В 2012 году Нолвенн Юби из Института физики Ренна (CNRS) рассказала на конференции Frontiers in Optics, как её группа пустила свет прямо по натуральной паучьей нити толщиной около пяти микрон. Шёлк собирали в Университете Лаваля в Квебеке, в группе Мишеля Пезоле, а в Ренне встроили в фотонный чип.

Нить соединила на чипе три крошечных диска, способных удерживать свет. Луч, введённый в один из них, по паутине доходил до двух других. Шёлк оказался рабочим световодом прямо в том виде, в каком его выпускает паук, — в отличие от стекла, которое для такой задачи приходится нагревать и тщательно вытягивать.

Авторы метили в биодатчики, которые улавливают отдельные молекулы, и в тонкие световоды для исследований внутри тела: через нить в пять микрон свет можно завести через совсем маленькое отверстие.

Сами пауки об этих опытах, разумеется, не знают и плетут сети по-старому. Как устроена эта работа, из каких нитей складывается сеть и почему одни нити липкие, а другие нет, разобрано в статье о том, как пауки плетут паутину.

В лаборатории Тафтса Фьоренцо Оменетто пошёл ещё дальше и делал из шёлка материалы, похожие на пластик: они сохраняют оптические свойства шёлка и со временем рассасываются в организме. Датчик из такого материала мог бы, например, следить за заживлением кости, а потом просто раствориться.