Статья по своей природе Материалы сегодня смотрят на микроскопическую структуру шелка паука и показывают уникальные особенности в способе, которым это передает фононы, квазичастицы звука.Исследование показывает впервые, что у шелка паука есть ширина запрещенной зоны фонона.
Это означает, что может заблокировать волны фонона в определенных частотах таким же образом электронная ширина запрещенной зоны – основное свойство полупроводников – позволяет некоторым электронам проходить и останавливает других.Исследователи написали, что их наблюдение – первое открытие «сверхзвуковой phononic ширины запрещенной зоны в биологическом материале».
То, как паук использует эту собственность, остается быть понятым, но есть ясные последствия для материалов, по словам материаловеда и Райса Энджиниринга Дина Эдвина Томаса, который создал в соавторстве бумагу. Он предположил, что прозрачная микроструктура шелка паука могла бы копироваться в других полимерах. Это могло позволить настраиваемые, динамические метаматериалы как волноводы фонона и новая звуковая или тепловая изоляция, так как тепло размножается через твердые частицы через фононы.«Фононы – механические волны», сказал Томас, «и если у материала есть области различного упругого модуля и плотности, то чувство волн, что и делают то, что делают волны: Они рассеиваются.
Детали рассеивания зависят от договоренности и механических сцеплений различных регионов в материале, от которого они рассеиваются».Пауки владеют мастерством отправки и чтения колебаний в сети, используя их, чтобы определить местонахождение дефектов и знать, когда «еда» прибывает, звоня. Соответственно, у шелка есть способность передать широкий спектр звуков, что ученые думают, что паук может интерпретировать различными способами. Но исследователи нашли, что у шелка также есть способность ослабить некоторый звук.
«(Паук), у шелка есть много различных, интересных микроструктур и наша группа, нашел, что мы могли управлять положением ширины запрещенной зоны, изменяя напряжение в шелковом волокне», сказал Томас. «Есть диапазон частот, которым не позволяют размножиться. Если Вы передадите звук на особой частоте, он не войдет в материал».
В 2005 Томас подошел к Джорджу Файтасу, материаловеду из Университета Крита и Института Электронной Структуры и Лазерного Фонда для Исследования и Технологической Эллады, Греция, на проекте определить свойства сверхзвуковых phononic кристаллов. В той работе исследователи измерили распространение фонона и обнаружили ширины запрещенной зоны в синтетических кристаллах полимера, выровненных равномерно.«Кристаллы Phononic дают Вам способность управлять звуковыми волнами, и если Вы становитесь здравомыслящими достаточно маленький и в достаточно высоко частотах, Вы говорите о тепле», сказал Томас. «Способность сделать тепловой поток, этот путь и не тот путь, или сделать его так, это не может течь вообще, означает, что Вы превращаете материал в тепловой изолятор, который не был тем прежде».Файтас и Томас решили бросить более подробный взгляд на dragline шелк, который использование пауков построить внешнюю оправу и спицы сети и как путь выживания. (Паук, временно отстраненный в воздушном пространстве, цепляется за dragline.), Хотя шелк изучался в течение тысяч лет, он был только недавно проанализирован для его акустических свойств.
Шелк – иерархическая структура, состоявшая из белка, который сворачивается в кристаллы форм и листы. Эти твердые кристаллы белка связаны более мягкими, аморфными цепями, сказал Томас. Протяжение или расслабление взаимосвязанных цепей изменяют акустические свойства шелка, регулируя механическое сцепление между кристаллами.
Команда Файтаса в Институте Макса Планка Исследования Полимера в Майнце, Германия, выполнила эксперименты рассеяния света Бриллюэна, чтобы проверить шелк, помещенный под различными степенями напряжения. «Это было гением Джорджа», сказал Томас. «С Рассеянием Мандельштама-Бриллюэна Вы используете свет, чтобы создать фононы, а также поглотить их от образца. BLS позволяет Вам видеть, как фононы перемещаются в любом объекте, в зависимости от температуры и микроструктуры материала».Они нашли, что, когда шелк был «супер законтрактован», скорость фононов уменьшилась на 15 процентов, в то время как пропускная способность частот это могло заблокировать увеличенный на 31 процент.
С другой стороны, когда напряженный, скорость увеличилась приблизительно на 27 процентов, в то время как пропускная способность уменьшилась на 33 процента. Они сначала наблюдали ширину запрещенной зоны в местном жителе (незаконтрактованный) шелк на уровне приблизительно 14,8 гигагерцев с шириной приблизительно 5,2 гигагерцев.
Столь же интересный команде была «уникальная область отрицательной скорости группы», они засвидетельствовали. При этих условиях, даже при том, что волны фонона продвинулись, фазовая скорость, перемещенная назад, сказал Томас.
Они предположили, что эффект может допускать сосредоточение сверхзвуковых фононов.«Прямо сейчас мы не знаем, как сделать любое из этого в других макромолекулярных материалах волокна», сказал Томас. «Было изрядное количество расследования на синтетических полимерах как нейлон, но ничей когда-либо найдено ширина запрещенной зоны».