Учені сподіваються, що завдяки виявленим властивостям можна буде створювати штучні матеріали з новими властивостями.
Міжнародна група фізиків з Німеччини, Сінгапуру, США та Греції виявила, що волокна павутини мають заборонену фононну зону, що відповідає гіперзвуковим частотам. Ця властивість подібна до забороненої зони в напівпровідниках, що забороняє електронам матеріалу мати енергію в деякому діапазоні. Стосовно до волокон павутини фононна заборонена зона не дозволяє поширюватися в матеріалі коливанням певної частоти. Це перший біоматеріал, у якому виявлено подібну властивість. Дослідження опубліковано в журналі Nature Materials, коротко про нього повідомляє прес-реліз Університету Райса.
Автори використовували в експерименті павутинні волокна павука Nephila edulis із роду колопрядів-нефілім. Фізики дослідили розсіювання променю лазера на теплових фононах – кванти коливань матерії у волокнах. В експерименті лазер використовувався як для збудження фононів, так і для їхнього аналізу. Особливий інтерес учені приділили гігагерцевій ділянці частот коливань – гіперзвуку. Їй відповідає довжина хвилі коливань, порівнянна з розмірами неоднорідностей у структурі павутини – близько 300 нанометрів.
Виявилося, що на частоті 14,8 гігагерца є заборонена зона завширшки 5,2 гігагерца. Причому її ширина змінювалася в процесі стиснення та розтягування матеріалу. До того ж автори виявили незвичайну ділянку з негативною груповою швидкістю фононів. У ній, попри те, що фонони рухалися вперед, їхня групова швидкість була спрямована назад. Це явище споріднене з негативним коефіцієнтом заломлення і може дозволити фокусувати гіперзвукові фонони.
Учені сподіваються, що завдяки виявленим властивостям можна буде створювати штучні матеріали з новими властивостями. Так, фонони відповідають за передавання тепла в тілі – контроль за забороненою фононною зоною може поліпшити теплоізоляційні якості матеріалу. Аналогічно фонони менших частот передають звукові коливання.
Павутина – складний композитний матеріал. Кожна видима нитка павутини складається з декількох окремих мікрометрових ниток. Усередині цих ниток є жорсткі білкові кристали розміром у декілька нанометрів. Вони з’єднані між собою еластичними білковими зв’язками. Через таку складну структуру й додаткові «хитрощі», що застосовують павуки, павутина має незвичайні механічні властивості. Наприклад, вона здатна підтримувати натяг навіть у разі спроби зблизити кінці ниток – завдяки краплям рідини вона ефективно згортається в клубок, підтримуючи структуру й не заплутуючись.
Як саме фононна заборонена зона може допомагати павукам у використанні павутини, невідомо. Фононні пристрої – аналоги напівпровідникових і фотонних технологій. Наприклад, за допомогою фононних кристалів можна створити акустичний діод, який пропускає звукові коливання лише в одному напрямку. Подібно до електромагнітних хвиль, розрізняють декілька діапазонів частот фононних коливань: інфразвук (нижче 15 герц), звук (від 15 до 20 000 герц), ультразвук (від 20 кілогерц до 100 мегагерц), гіперзвук (від 100 мегагерц до 100 гігагерц) і теплові коливання.
