Исследователи из университета Райс провели исследование материала, из которого пауки плетут паутину, и установили его уникальные свойства. Результаты исследований указывают на то, что этот уникальный материал обладает “запрещенной зоной” для фононов – квантов акустических колебаний, аналогично тому, как это наблюдается в полупроводниках для электронов. Это открытие может стать основой для создания искусственных материалов, способных эффективно контролировать распространение звуковых волн, тепловых потоков и других процессов, основанных на фононах. Устройства из таких материалов будут управлять этими колебаниями так же точно, как электронные схемы управляют движением электронов. Как пауки используют столь необычные свойства материала паутины, остается пока еще не ясным, но людям с их развитым воображением совсем не тяжело найти практическое применение такому материалу.
“Полимеры, имеющие подобную структуру, можно использовать для изготовления фононных волноводов, в качестве нового типа акустической или тепловой изоляции и многого другого” – рассказывает Дин Эдвин Томас (Dean Edwin Thomas), ученый из университета Райс.
Материал шелка имеет иерархическую структуру, состоящую из белков, сворачивающихся в кристаллы и плоские “листы”. Эти твердые кристаллы связаны друг с другом более мягкими аморфными цепями. Растяжение этих цепей меняет расстояние и взаимное расположение кристаллов, что позволяет изменять акустические свойства шелка, просто растягивая или сжимая его волокно. Все это позволяет управлять шириной фононной запрещенной зоны и изменять диапазон частот, которые будут или не будут распространяться по этому волокну. Такой эффект можно использовать для создания акустических аналогов транзисторов, на базе которых можно создавать более сложные схемы, выполняющие обработку и управление акустическими или тепловыми сигналами.
Проведенные эксперименты показали, что при сжатии акустических волноводов, изготовленных из паучьего шелка, скорость распространения фононов в них снизилась на 15 процентов, однако, полоса блокируемых частот при этом расширилась на 31 процент. Когда волокно шелка было растянуто, скорость фононов увеличилась на 27 процентов, а полоса частот сузилась на 33 процента. Для сравнения, у обычного шелка, не подверженного механическим напряжениям, запрещенная зона находится на частоте 14.8 гигагерц, а ее ширина составляет 5.2 гигагерца.
“Ранее была проведена масса исследований волокон искусственных полимерных материалов, к примеру, нейлона. Но ни у одного из этих материалов не было обнаружено акустической запрещенной зоны” – рассказывает Дин Эдвин Томас, – “Сейчас мы затрудняемся спрогнозировать, к появлению каких новых технологий может привести открытие столь необычных свойств естественного материала, которые можно легко повторить в синтетическом материале. Но, безусловно, ряд практических применений таких материалов будет достаточно широким”.
