Введение
Одними из актуальных задач современной биоинженерии являются исследования возможностей создания биологически активной ткани и противоожоговых повязок из волокон паутины. Это связано с кровоостанавливающим действием паутины, которая также ускоряет заживление поврежденной кожи [1,3].
Тем не менее, прочность волокон является одной из важнейших характеристик при создании и использовании этих новых материалов [4,9]. От прочности зависит область их применения.
Актуальность и практическая значимость работы:
· Работа направлена на решение задач упрочнения волокон паутины, для изготовления перевязочного материала, создания различных медицинских и биоинженерных конструкций.
· Исследуя новые способы упрочнения волокон паутины, можно снизить обрывность паутинных нитей и увеличить прочность изделий.
· Изучение свойств упрочнения природного волокна паутины дает новые знания о роли паутины в жизни пауков.
Цель научно-исследовательской работы – исследовать свойства упрочнения волокна паутины пауков A. diadematus.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
· Определить и проанализировать состояние вопроса по литературным и интернет-источникам.
· Разработать способ измерений, сконструировать и собрать испытательную установку, позволяющую определять деформацию волокон.
· Исследовать прочностные характеристики паутины при статическом и циклическом нагружении, возможность упрочнения волокна при длительной статической нагрузке.
Объект исследования – каркасная нить паутины – самая прочная нить в паутине.
Предмет исследования – упрочнение волокна в процессе деформации под действием силы.
На рисунке 1 показана типичная динамометрическая кривая напряжений при растяжении волокна паутины паука Nephila madagascariensis, взятая из [9].
Рисунок 1 - Динамометрическая характеристика волокна паутины паука Nephila madagascariensis, подвергнутого деформации при скорости 7% в мин [9]
На этой диаграмме деформации горизонтальная ось –относительные деформации, а вертикальная ось – механические напряжения. Данная кривая имеет пик Y и далее «плато» m в области пластических деформаций. Область m также называют областью упрочнения полимера [2, с.166, с.188].
В процессе испытаний мы увеличивали силу и при этом контролировали деформацию.
Оказалось, что при задании растягивающей нагрузки, пройти область упрочнения без изменения условий нагрузки – сложно. Таким образом, важно исследовать, как нужно изменить режим нагрузки, чтобы можно было пройти область упрочнения без разрушения волокна. Технологию такого упрочнения с помощью дозированной нагрузки можно будет использовать на практике.
Волокна, из которых пауки строят паутину, не подвергаются в процессе выделения существенным деформациям, и, следовательно, после отверждения имеют прочность, ограниченную областью до точки Y. В то же время, в природных условиях паутина испытывает воздействие внешних факторов, например, ветра, движения веток, влаги, многократно деформируется и при этом не разрушается. Возможно, это связано со свойствами упрочнения волокон, которые еще до конца не исследованы.
Материалы и оборудование
Каркасная нить паутины
Каркасная нить – самая прочная нить в паутине. Поэтому именно её рассматривают как основной материал для изготовления повязок.
Диаметр волокон паутины паука Araneus diadematus (в дальнейшем A.d.), может быть от 4 до 6 мкм, а диапазон статических сил, вызывающих обрыв волокна, составляет 5-40 мН [6].
Паутинные нити, использованные в нашем исследовании, были собраны летом 2020 г. в Приозерском районе Ленинградской области в период проведения данной работы. Для реализации испытаний отобраны каркасные нити пауков A.d. – паука кругопряда, снятые с новых паутин в естественных природных условиях.
Все каркасные нити, собранные с разных паутин, состоят из параллельно протянутых, плотно прижатых друг к другу волокон. Число волокон нити может достигать двух десятков. Диаметр каркасной нити лежит в диапазоне от 15 до 25 мкм. На рисунке 2а показана каркасная нить диаметром 24 мкм, а на рисунке 2б показана эта же нить после обрыва. Видны образующие нить волокна.
 |
 |
а) б)
Рисунок 2 - Каркасная нить под нагрузкой до разрыва (а) и после разрыва (б). Видны волокна, из которых состоит нить. Увеличение микроскопа 40х
Оборудование и методы исследования
Для проведения исследований сконструирована и собрана экспериментальная установка. Схема этой установки показана на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки:
а – подготовка к опыту, б – проведение опыта
1 – микроскоп, 2- цифровая камера, 3 – предметное стекло, 4 – нить паутины, 5 – нить тяги, 6 ‑ пластинка, 7 – контейнер с грузом, 8 – станина, 9 – компьютер, 10 – приемный контейнер
В центре экспериментальной установки расположен микроскоп (1). Микроскоп имеет три объектива: 4х, 10х и 40х. Главной особенностью микроскопа является цифровая камера (2) c увеличением 10х и матрицей 5 Мpics, установленной на место окуляра. Камера подключена к компьютеру (9). Для нее имеются специализированное программное обеспечение и средства калибровки, позволяющие производить измерения.
Нить паутины (4) и тяга из капроновой нити (5) закреплены на предметном стекле (3). Один конец паутинной нити приклеен к стеклу, а другой к подвижной пластиковой пластинке (6). Тяга также приклеена к пластинке (6), а на другом конце тяги размещен небольшой пластиковый контейнер (7), в который помещается груз.
Микроскоп закреплен на специально изготовленной станине (8), которая позволяет вращать и закреплять всю систему на произвольный угол от 0 до 
. Это необходимо для того, чтобы была возможность разделить процесс закрепления исследуемых образцов (горизонтальное положение предметного стола, рис.3а) и процесс проведения испытаний на растяжение (вертикальное положение, рис. 3б). Деформация нити фиксируется с помощью микроскопа по перемещению края пластинки (6).
Закрепление паутинной нити, перенесенной на предметное стекло (предметный стол в горизонтальном положении), осуществлялось с помощью небольшой капли термоплавкого клея при температуре 110
Для создания нагрузки использовались грузики двух видов: массой (0,094
и массой (2,15
г. После увеличения нагрузки производилось измерение соответствующей деформации нити паутины.
Для построения диаграммы растяжения во всем диапазоне нагрузок выполнялась математическая обработка результатов измерений. Были проведены дополнительные испытания и расчеты, которые показали, что будет допустимо проводить исследования непосредственно с каркасной нитью, не выделяя из нее отдельные волокна. Площадь кругового сечения нити, вычисляемая по ее диаметру, хорошо аппроксимирует суммарную площадь волокон, образующих нить.
Все испытания проводились при комнатной температуре 22-23
и влажности 70%.
Результаты и их обсуждение
Прочность паутины в природных условиях
На рисунке 4 показана диаграмма растяжения волокна до разрыва, построенная по результатам нагрузки нити паутины грузами 
= 0,92 мН.
Рисунок 4 - Диаграмма растяжения волокна под нагрузкой. Предел ползучести (точка Y) 
≅250 Мпа, при деформации волокна 20%
Сразу обращает на себя внимание сравнительно малый для каркасных нитей паутины предел прочности - 250 МПа, что существенно меньше 1,5-1,7 ГПа, которые указывают во многих публикациях [6,7,9]. Дело в том, что в данном эксперименте при достижении предела ползучести дальнейшее даже малое увеличение нагрузки приводит резкому неконтролируемому увеличению деформации (ползучесть) и последующему обрыву волокна. Можно предположить, что полученный результат соответствует реальной прочности паутины в природных условиях.
Циклическая нагрузка паутины
Гипотеза: волокно упрочняется при его тренировке циклической нагрузкой.
В следующем эксперименте исследован вопрос упрочнения паутины при циклической нагрузке нити. Для этого нить паутины была нагружена примерно до четверти, а потом до половины полученного в предыдущем испытании предела прочности. После каждой нагрузки нить разгружалась. Третий раз нить была нагружена до разрыва. Общее время испытания 40 мин. Диаграмма кривой, полученной в результате испытаний представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Остаточная деформация и прочность волокна при двукратной нагрузке
Оказалось, что при заданном режиме нагрузки-разгрузки явного упрочнения волокна не произошло. Отсюда можно сделать вывод, что выбранный способ нагрузки не позволяет увеличить прочность волокна.
Следующей гипотезой было предположение, что упрочнение произойдет при увеличении количества циклов нагрузок.
На рисунке 6 представлена диаграмма деформации волокна при 10-ти циклах нагрузки.
Рисунок 6 - Динамометрическая характеристика волокна при многократной нагрузке
Условия нагрузки такие же, как и в предыдущем опыте.
После 10-ого цикла деформации волокно было нагружено до разрыва. Исследование показало увеличение прочности почти на 50%. Предел ползучести составил 320 МПа, что в 1,4 раза больше, чем в предыдущих опытах. Общее время испытания 60 мин.
Проведенные испытания показали, что время является важным условием для формирования деформационно-прочностных характеристик каркасной нити.
Гипотеза: упрочнение волокна зависит от длительности нагрузки.
Упрочнение волокна при длительной постоянной нагрузке
Далее были поставлены задачи: оценить влияние ползучести, времени и скорости нагрузки на характеристики упрочнения, определить диаграмму ползучести волокна паутины.
Используемая в данной работе методика механических испытаний позволяет реализовать три важных условия: постоянство температуры, почти мгновенную нагрузку волокна и поддержание постоянной нагрузки на волокне. Для нагрузки волокна использованы грузики массой 2,15 г. Нагружающая сила выбрана таким образом, чтобы создать напряжение порядка 200-250 МПа близкое к ранее найденному пределу упругости.
Для определения влияния скорости нагрузки были проведены два испытания. В первом испытании нагрузка изменялась последовательно тремя ступенями 21,07 мН каждая с интервалом 30 с до 63,21 мН. Во втором испытании волокно было нагружено сразу весом 63,21 мН.
На рисунке 7 показана полученная кривая ползучести первого испытания за время 5 часов при напряжении 264 МПа.
Рисунок 7 - Ползучесть волокна за время 5 часов
Показанный на рисунке 7 процесс ползучести можно поделить на три стадии: затухание ползучести (на диаграмме это участок A - B), установившаяся ползучесть (участок B - C) и стадия разрушения. В наших экспериментах третья стадия, которая находится после С - не достигнута.
Через 5 часов (время нагрузки) образец без паузы был нагружен до разрыва. Полученная кривая напряжение-деформация представлена на рисунке 9а. Предел прочности составил 1,3 ГПа при деформации волокна почти на 17%. Это в 5,2 раза больше, по сравнению с первыми испытаниями.
На рисунке 8 показана кривая ползучести волокна не при последовательном, а при «мгновенном» воздействии на него с такой же силой, как в предыдущем опыте. Здесь воздействие продолжалось 740 мин (12час. 20 мин). Затем груз был убран.
Рисунок 8 – Ползучесть волокна с разгрузочной паузой за время 31 час
На рисунке 8 показаны полученные зависимости относительного удлинения от времени при действии постоянной растягивающей силы и после прекращения ее действия.
Далее 660 мин (11 часов) волокно находилось в разгруженном состоянии.
После 11-часового периода релаксации волокно снова было нагружено на 460 мин (7 час. 40 мин.). В этом цикле ползучесть увеличилась на 0,9 %. Общая ползучесть оказалась около 2 %.
Весь цикл нагрузки завершился снятием диаграммы напряжение-деформация, показанной на рисунке 9б.
Рисунок 9 - Растяжение волокон после выдержки под нагрузкой:
а – динамометрическая кривая волокон после 5 часов нагрузки, б ‑ динамометрическая кривая волокон после 20 часов нагрузки,
в – кривая растяжения волокна без упрочнения
Предел прочности составил 1,7 ГПа при деформации волокна на 10,3 %, что в 6,8 раз больше, чем у волокна, не прошедшего упрочнения.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что новая, построенная пауком, паутина не имеет сверхвысоких механических характеристик. Она служит естественной средой обитания и воздушным фильтром для сбора пищи определенного размера в зависимости от вида паука. Крупные насекомые, например, осы легко ее разрушают, а чаще просто облетают. Но при возникновении внешних силовых воздействий, например, ветра, отклонения ветки и других, волокна паутины адаптируются за счет описанного механизма вязко - упругого упрочнения. При воздействии влаги паутина также не только не теряет своих свойств, наоборот, после высыхания становится прочнее [5,8]. Можно предположить, что паутина обладает свойствами самоорганизации, которые заложены природой в ее биологическую макромолекулярную структуру.
Заключение
В работе рассмотрены особенности поведения каркасных нитей паутины А.d. в условиях медленных нагрузок. В естественном природном состоянии нити первично испытывают именно такие нагрузки, которые вызывают ответную деформацию.
Предложена конструкция испытательной установки, позволяющая задавать необходимые усилия и измерять возникающие при этом деформации.
Изучены характеристики ползучести волокна при различных видах и временных режимах циклических нагрузок.
Показано, что для получения выдающихся прочностных характеристик волокна, оно должно пройти через процедуру пластического упрочнения. Воздействуя на волокно силой, этого можно достигнуть, выдерживая волокно под нагрузкой в течение определенного времени при нормальной температуре. Предел прочности на разрыв возрастает более чем в 6 раз.
Выявленное свойство упрочнения паутинного волокна при воздействии на него определенной силой в течении длительного времени можно эффективно использовать при изготовлении медицинских кровоостанавливающих бинтов и салфеток, для других биоинженерных и медицинских задач, где прочность используемого волокна имеет особое значение.
Проведенные исследования позволяют высказать гипотезу о свойствах самоорганизации паутины в природных условиях и ее адаптацию к окружающим условиям в соответствии с влияющими на паутину факторами.