Физики придумали, как можно сплести сверхпрочную броню из волос

Это открытие позволит создать волосоподобные материалы и волокна более прочные, чем кевлар 18 Январь 2017, 14:13
Физики объяснили, почему волосы человека и животных обладают высокой прочностью и их тяжело разорвать. Это открытие позволит создать волосоподобные материалы и волокна более прочные, чем кевлар, надеется журнал Materials Science and Engineering: C.

"Природа создала массу интересных материалов и структур, устроенных крайне остроумным образом. Мы очень заинтересованы в том, чтобы понять, как связаны между собой функция и структура этих биоматериалов, что поможет нам создать их синтетические аналоги, которые лучше послужат человеку", — заявил Марк Мейерс (Marc Meyers) из университета Калифорнии в Сан-Диего (США).

Последние годы физики, химики и инженеры активно изучают устройство отдельных органов и тел живых организмов, пытаясь использовать "изобретения эволюции" в новых технологиях и приборах.

Так, американские физики создали "идеальные" медицинские иглы и пластырь, изучив устройство игл дикобраза и сосков паразитических червей, а их канадские коллеги повысили прочность стекла в 200 раз, используя секреты устройства раковин моллюсков. Роботы, имитирующие манеру движения или "мышления" животных, уже достигли рекордных скоростей движения и приобрели другие удивительные способности.
Мейерс и его коллеги исследовали обычный человеческий волос, изучив его структуру и научившись воспроизводить его удивительные свойства.

Волосы, как рассказывают ученые, обладают такой же прочностью на грамм массы, как стальная проволока, выдерживая нагрузку до 270 мегапаскалей (2660 атмосфер). При этом, в отличие от металлов, волосы можно растянуть в полтора раза, и они при этом не порвутся и сохранят свои механические свойства.

Просканировав несколько волосяных нитей при помощи электронного микроскопа, ученые обнаружили, что они состоят из двух слоев белка кератина, уложенного двумя разными способами, чтобы выдерживать разные механические нагрузки. Внутренняя часть волоса состоит из слоев параллельных спиральных волокон, уложенных "штабелями", а внешняя часть состоит из таких же волокон, но соединенных друг с другом хаотично.
Их комбинация превращает волосы в аналог меда или другой тягучей жидкости, которая становится более вязкой при попытке резкого растягивания, но почти не "сопротивляется" медленному приложению силы.

Когда волосы растягиваются, спирали в "штабелях" постепенно выпрямляются и выстраиваются в новую структуру – листы из связанных друг с другом белковых молекул. Это приводит к тому, что их прочность повышается, и волосы не рвутся при резком повышении нагрузки. Подобная перестройка, как показали опыты Мейерса и его команды, в некоторых случаях обратима, и волосы часто возвращаются в первозданное состояние при снятии нагрузки.

Эти данные, как считают авторы статьи, помогут создать искусственные материалы с аналогичными свойствами, пригодные, например, для изготовления бронежилетов, а также других инструментов и приборов, где требуется высокая прочность и небольшой вес.