Как устроен кокон

Кокон тутового шелкопряда — вытянутый овал, иногда с лёгкой перетяжкой посередине. По одному из подробных обмеров: 31,6 мм в длину и 19,0 мм поперёк — примерно с голубиное яйцо.

Толщина стенки — от 0,30 до 0,92 мм. То есть конструкция, выдерживающая вес взрослого человека при аккуратном нажатии, тоньше листа плотного картона.

Внутри — куколка, и больше ничего: кокон не заполнен, это полая оболочка.

Длина непрерывной нити в стенке достигает 1500 метров. Разматывается не вся: наружные слои рыхлые и спутанные, внутренние слишком тонки. В промышленную размотку идёт середина — обычно 600–900 метров.

Цвет зависит от породы: белый, золотисто-жёлтый, зеленоватый. Пигменты поступают из листа шелковицы и сосредоточены преимущественно в серицине, поэтому при отварке жёлтый кокон даёт белую нить. Для промышленности удобнее белые породы — их не нужно обесцвечивать перед крашением.

Кокон не однородная скорлупа, а слоистая структура: в стенке различают от 5 до 15 слоёв. Градиент возникает естественно, потому что гусеница строит снаружи внутрь, а её шелкоотделительные железы по ходу работы истощаются.

Измерения показывают закономерность:

• наружные слои — волокно около 26 мкм, плотность укладки около 8 волокон на квадратный миллиметр, пористость выше (около 0,78);
• внутренние слои — волокно около 16 мкм, около 21 волокна на мм², пористость около 0,59.

Механически слои тоже различны, и различие функционально. Наружный слой рыхлый и богат серицином; при проколе он ведёт себя хрупко. Внутренний — плотный и вязкий, он гасит энергию удара. Разница в показателях велика: удельная прочность внутреннего слоя примерно на порядок выше, чем наружного.

Иначе говоря, кокон — это композит с переменной структурой по толщине: жёсткая защитная корка снаружи, вязкая энергопоглощающая подкладка внутри. Инженеры изучают эту схему как образец для многослойных защитных материалов.

Куколка беспомощна и неподвижна, и всё, что защищает её десять-четырнадцать дней, — это оболочка. Задач у неё несколько, и они конфликтуют.

Механическая защита — от птиц, насекомых, падения. Отсюда жёсткость наружного слоя.

Дыхание. Куколка дышит, значит, оболочка должна пропускать газ. Отсюда пористость: стенка не герметична, а представляет собой нетканый фильтр.

Влагообмен. Внутри нужна стабильная влажность: пересыхание и переувлажнение одинаково смертельны. Серицин, хорошо связывающий воду, работает буфером.

Теплоизоляция. Воздух, запертый между нитями, сглаживает суточные колебания температуры.

Противомикробная защита. Серицин обладает антибактериальной активностью, снижая риск заражения внутри влажной и тёплой среды.

Отдельно стоит отметить, что форма кокона — не просто овал: его геометрия и переменная пористость создают распределение напряжений, при котором нагрузка в одной точке расходится по всей оболочке. Для конструкции толщиной в полмиллиметра это крайне эффективно.

Кокон изучают не только биологи. Для инженеров это готовый пример конструкции, которая решает несколько конфликтующих задач одновременно при толщине стенки меньше миллиметра.

Переменная структура по толщине. Снаружи рыхлый жёсткий слой с высокой долей серицина, внутри плотный и вязкий. При ударе наружный слой принимает нагрузку и трескается, внутренний рассеивает энергию. Это схема современной многослойной защиты — жёсткая корка плюс энергопоглощающая подложка, — найденная природой задолго до инженеров.

Разница показателей между слоями велика: удельная прочность внутреннего слоя примерно на порядок выше, чем наружного, а деформация до разрушения, наоборот, выше у наружного.

Пористость как компромисс. Оболочка должна пропускать газ для дыхания куколки и при этом защищать от воды и хищников. Решение — нетканый пористый материал с градиентом плотности: пористость меняется примерно от 0,78 снаружи до 0,59 внутри.

Отсутствие швов и соединений. Вся конструкция — одна непрерывная нить, уложенная без узлов. Нет ни точек крепления, ни концентраторов напряжения.

Форма. Геометрия овала с переменной толщиной распределяет локальную нагрузку по всей оболочке.

Прикладной интерес к этому вполне практический: схемы многослойных композитов, лёгкие защитные материалы, пористые мембраны. Кокон при этом остаётся эталоном, который воспроизвести пока не удаётся — ровно как и саму нить.

После коконосдачи урожай проходит несколько операций, от которых зависит класс будущего шёлка.

Морение. Коконы обрабатывают горячим воздухом или паром, чтобы куколка не вышла и не порвала нить. Операция срочная: у шелковода в запасе считанные дни.

Сушка. Коконы доводят до влажности, при которой их можно хранить месяцами без плесени и гниения куколки.

Сортировка. Главная ручная работа отрасли. Отбраковывают:

• двойники (два кокона, свитые вместе) — нить в них переплетена и не разматывается;
• пробитые коконы, из которых вышла бабочка;
• пятнистые и заплесневелые;
• слишком рыхлые и слишком мелкие;
• деформированные.

В размотку идут только правильные однородные коконы. Всё остальное — на прядение, где из обрывков делают шёлковую пряжу: материал более дешёвый, матовый и с ворсом.

Именно на этом этапе закладывается то, что потом назовут классом сырья — 4A, 5A, 6A. Ровность нити начинается с ровности коконов.