Исследование микроструктуры паутинного волокна, опубликованное в Nature Materials, проливает свет на его уникальные физические свойства.

Фонон — квазичастица, введённая советским учёным Игорем Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

Ученые из Университета Райса и их коллеги из Европы и Сингапура — продемонстрировали, что этот материал обладает фононной запрещенной зоной. Это значит, что он способен блокировать фононные волны на определенных частотах таким же образом, как электронная запрещённая зона (базовое свойство полупроводников) позволяет пропускать одни электроны и задерживать другие.

Исследователи характеризуют своё открытие как первое экспериментальное наблюдение «гиперзвуковой фононной запрещенной зоны в биологическом материале».

В экспериментах по Бриллюэновскому световому рассеянию, выполненных в Институте полимерных исследований им. Макса Планка в Майнце (Германия), было обнаружено, что при сжатии волокон скорость фононов уменьшается на 15%, а ширина полосы блокируемых частот увеличивается на 31%. При растяжении скорость возрастает на 27%, а полоса сужается на 33%. В отсутствии напряжения запрещённая зона в паутине соответствует частоте 14,8 ГГц и полосе примерно 5,2 ГГц.

Пока в точности неизвестно использует ли каким-то образом это свойство сам паук, но перспективы его практического применения в технике, по мнению декана Rice Engineering, Эдвина Томаса (Edwin Thomas) вполне очевидны. Он, в частности, предположил, что кристаллическая микроструктура паутины может быть воспроизведена в синтетических полимерах, где, несмотря на многочисленные исследования, подобной запрещенной зоны до сих пор не было обнаружено. На их основе можно будет создавать настраиваемые динамические метаматериалы для использования в фононных волноводах, в принципиально новой звуко- и теплоизоляции.

Ещё одним открытием группы стала область отрицательной скорости. В этом режиме при движении фононных волн в паутине их фазовая скорость направлена обратно. Ученые полагают, что этот экзотический эффект можно применять для фокусирования гиперзвуковых фононов.