Как устроена шёлковая нить

У шелковода и текстильщика для частей нити есть отдельные слова.

Брин — одиночный фиброиновый филамент. Их в нити два, по одному из каждой шелкоотделительной железы гусеницы. Диаметр брина 7–14 микрометров.

Бава — то, что гусеница выдаёт наружу: два брина, уже склеенные серициновой оболочкой толщиной 2–4 мкм. Общий диаметр бавы 16–26 мкм.

Для сравнения: человеческий волос обычно 50–100 мкм. То есть одна шёлковая нить тоньше волоса примерно в четыре раза, а отдельный брин — в десять.

Но и бава ещё не та нить, из которой ткут. Она слишком тонка и непрочна, чтобы работать на станке в одиночку. При размотке коконов 4–10 бав соединяют вместе — серицин, размягчённый горячей водой, склеивает их в одну нить шёлка-сырца. Именно её толщину и измеряют в денье.

Плотность самого волокна — 1350–1365 кг/м³. Это тяжелее воды, но шёлковая ткань кажется невесомой: в готовом полотне больше половины объёма составляет воздух между нитями.

Сечение шёлкового волокна описывают как треугольное или неправильно-треугольное со скруглёнными углами. Форму задаёт выходное отверстие железы — фильера гусеницы, и строго геометрическим треугольником она, конечно, не бывает.

Оптически это важнее всего остального. Плоская грань работает как зеркало: падающий на неё свет отражается направленно, в одном направлении. Но соседние участки нити развёрнуты чуть по-разному, поэтому в каждый момент «зеркалят» разные волокна. Отсюда характерное мерцание с переливом при движении ткани — то, что по-французски называют chatoyant.

Сравните с другими волокнами:

• хлопок — скрученная плоская лента с неровной поверхностью, свет рассеивается во все стороны, блеска нет;
• вискоза — круглое сечение с продольными бороздками, блеск есть, но плоский и равномерный, без перелива;
• полиэстер — идеально круглое сечение из фильеры, зеркальный блеск одинаков под любым углом, отчего и выглядит «пластиковым».

Производители синтетики давно научились делать трёхлопастные фильеры, чтобы имитировать шёлковое сечение. Блеск получается похожим — а вот гигроскопичность нет, потому что она зависит от химии, а не от формы.

Главная технологическая особенность шёлка — непрерывность. Гусеница выделяет нить без разрывов всё время, пока завивает кокон, то есть примерно трое суток, поворачивая головой восьмёркой около 300 тысяч раз.

Длина непрерывного филамента с одного кокона достигает 1500 метров. На практике размотать удаётся не всё: наружные слои слишком рыхлые и спутанные, внутренние — слишком тонкие и хрупкие. В размотку идёт средняя часть, обычно 600–900 метров.

Остальное не выбрасывают. Спутанные наружные слои, повреждённые коконы и те, из которых бабочка вышла сама, прорвав нить, идут на шёлковую пряжу (schappe, bourette): короткие волокна чешут и прядут, как хлопок. Такая пряжа дешевле, матовее и с ворсом — она тоже шёлк по составу, но совсем другая по поведению.

Отсюда же ответ на частый вопрос, почему шёлк дорог. В отрасли есть показатель «рендитта» — сколько килограммов коконов нужно на килограмм шёлка-сырца; нормальное значение 6–8. В штуках это несколько тысяч коконов, и за каждым стоит месяц выкормки гусеницы, десятки килограммов листа и ручная сортировка.

Самое интересное в шёлке происходит за доли секунды внутри гусеницы, и до конца этот процесс не понят до сих пор.

В железе фиброин находится в виде водного раствора чрезвычайно высокой концентрации — такой, при которой белок должен был бы немедленно выпасть в осадок. Он не выпадает, потому что находится в растворимой форме Silk I.

По пути к выходному отверстию раствор проходит через длинный изогнутый проток, и там с ним происходит несколько вещей сразу.

Падает кислотность. По измерениям, pH вдоль протока снижается примерно с 8,2 до 6,2. Как именно гусеница поддерживает этот градиент, достоверно не установлено — предполагают работу протонных насосов и фермента карбоангидразы.

Меняется ионный состав. Ионы металлов участвуют в сборке белковых наноструктур, предшествующих волокну.

Возникает сдвиговое течение. Проток сужается, раствор вытягивается, молекулы выстраиваются вдоль оси потока.

Совокупность этих воздействий переводит белок из Silk I в Silk II — из растворимой формы в нерастворимые β-листы. Нить затвердевает.

Отдельно стоит отметить, насколько это эффективно. Промышленность знает похожее явление — кристаллизацию полимеров под действием течения, — но природный механизм, по оценкам исследователей, примерно в тысячу раз экономичнее по затрачиваемой энергии, и чем именно это обеспечено, пока не выяснено.

Практический вывод из этой нерешённой задачи вполне осязаем: искусственного шёлка, равного природному, не существует. Попытки формовать волокно из растворённого фиброина дают материал заметно слабее исходного — повторить работу протока гусеницы техника пока не умеет.

Кокон не однородная скорлупа, а слоистая конструкция: в стенке различают от 5 до 15 слоёв. Гусеница строит его снаружи внутрь и по мере истощения желёз выдаёт всё более тонкую нить.

Измерения показывают закономерный градиент:

• наружные слои — волокно около 26 мкм, плотность укладки около 8 волокон на мм², пористость выше;
• внутренние слои — волокно около 16 мкм, около 21 волокна на мм², структура плотнее.

Механически слои тоже разные. Наружный слой рыхлый, с высокой долей серицина, и при проколе ведёт себя хрупко: его задача — держать форму и защищать от погоды. Внутренний, наоборот, плотный и вязкий, он рассеивает энергию удара.

Для шелковода это значит, что одинаковой нити с кокона не бывает в принципе — разнотолщинность заложена природой. Задача размотчика — соединять коконы так, чтобы итоговая нить получилась ровной по всей длине. Именно ровность толщины и лежит в основе классификации шёлка-сырца по классам от A до 6A.

Размер самого кокона для породы весьма стабилен: по одному из обмеров — 31,6 мм вдоль и 19,0 мм поперёк при толщине стенки 0,3–0,9 мм.