В паутине нашли гиперзвуковую фононную запрещенную зону

Nephila edulis

Wikimedia Commons

Международная группа физиков из Германии, Сингапура, США и Греции обнаружила, что волокна паутины обладают запрещенной фононной зоной, соответствующей гиперзвуковым частотам. Это свойство подобно запрещенной зоне в полупроводниках, запрещающей электронам материала обладать энергией в некотором диапазоне. Применительно к волокнам паутины фононная запрещенная зона не позволяет распространяться в материале колебаниям определенной частоты. Это первый биоматериал, в котором обнаружено подобное свойство. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Райса.

Авторы использовали в эксперименте паутинные волокна паука Nephila edulis из рода кругопрядов-нефил. Физики исследовали рассеяние луча лазера на тепловых фононах — квантах колебаний материи в волокнах. В эксперименте лазер использовался как для возбуждения фононов, так и для их анализа. Особый интерес ученые уделили гигагерцовой области частот колебаний — гиперзвуку. Ей соответствует длина волны колебаний, сопоставимая с размерами неоднородностей в структуре паутины — порядка 300 нанометров. 

Оказалось, что на частоте 14,8 гигагерца существует запрещенная зона шириной 5,2 гигагерца. Причем ее ширина менялась при сжатии и растяжении материала. Вместе с тем авторы обнаружили необычную область с отрицательной групповой скоростью фононов. В ней, несмотря на то, что фононы двигались вперед, их групповая скорость была направлена назад. Это явление родственно с отрицательным коэффициентом преломления и может позволить фокусировать гиперзвуковые фононы. 

Микроструктура паутины

Dirk Schneider

Ученые надеются, что обнаруженные свойства позволят создавать искусственные материалы с новыми свойствами. Так, фононы отвечают за передачу тепла в теле — контроль за запрещенной фононной зоной может улучшить теплоизоляционные свойства материала. Аналогичным образом фононы меньших частот передают звуковые колебания.

Паутина — сложный композитный материал. Каждая видимая нить паутины состоит из нескольких отдельных микрометровых нитей. Внутри этих нитей есть жесткие белковые кристаллы размером в несколько нанометров. Они соединены между собой эластичными белковыми связками. Из-за такой сложной структуры и дополнительных «хитростей», применяемых пауками, паутина обладает необычными механическими свойствами. Например, она способна поддерживать натяжение даже при попытке сблизить концы нитей — капли жидкости позволяют ей эффективно сворачиваться в клубок поддерживая структуру и не запутываясь. 

Как именно фононная запрещенная зона может помогать паукам в использовании паутины неизвестно. Фононные устройства — аналоги полупроводниковых и фотонных технологий. Например, с помощью фононных кристаллов можно создать акустический диод, пропускающий звуковые колебания лишь в одном направлении. Подобно электромагнитным волнам, различают несколько диапазонов частот фононных колебаний: инфразвук (ниже 15 герц), звук (от 15 до 20 000 герц), ультразвук (от 20 килогерц до 100 мегагерц), гиперзвук (от 100 мегагерц до 100 гигагерц) и тепловые колебания.

Владимир Королёв