At optrevle endnu en hemmelighed ved edderkoppesilke - det er et kabel

Forskere er ved at finde ud af hemmelighederne bag et af naturens mest spændende og potentielt værdifulde materialer - edderkoppesilke.

En streng edderkoppesilke er fem gange stærkere end et stålkabel af samme vægt, sagde Hannes Schniepp fra Institut for Anvendt Videnskab ved William &Mary. Hans laboratorium har afsløret hemmelighederne bag styrken af ​​den brune eneboer-edderkop.

Deres seneste opdagelse er en overraskelse:Den brune eneboer spinder ikke en eneste streng proteinfiber.

"Vi forventede at finde ud af, at fiberen var en enkelt masse, Schniepp forklarede. "Men det, vi fandt, var, at silken faktisk var en slags lille kabel."

Opdagelsen kommer oven på en 2017-rapport fra det samme laboratorium, der afslører, at en anden faktor i styrken af ​​brun eneboer silke kommer fra løkker, der er spundet ind i strukturen. Arbejdet er finansieret af National Science Foundation. Edderkoppesilke er et vigtigt emne, da dets styrke og sejhed gør syntetisk edderkoppesilke til noget af en "hellig gral" af materialevidenskab og ingeniørkunst.

"At forstå årsagerne til, at edderkoppesilke har øget den mekaniske sejhed sammenlignet med insektsilke, har været en primær motivator for en række undersøgelser, samt ønsket om at producere store mængder edderkoppesilke syntetisk i laboratoriet. Fra dette perspektiv, resultaterne, der bliver rapporteret, giver et interessant fingerpeg om "handlens tricks", som naturen har til at producere fantastiske materialer, " siger NSF-programdirektør Mohan Srinivasarao, der var med til at finansiere forskningen.

"At forstå egenskaberne af brun eneboer silke på molekylært niveau giver ikke kun indsigt i et af naturens hårdeste materialer, det kan også give en vej til design af andre syntetiske materialer, " han tilføjede.

Schniepp og Qijue Wang, en kandidatstuderende i anvendt videnskab, beskrev deres resultater i et papir, "Styrken af ​​Recluse Spider's Silk stammer fra nanofibriller, "ind ACS makrobogstaver , et højt citeret tidsskrift fra American Chemical Society. De brugte en ekstremt følsom teknik kendt som atomkraftmikroskopi til at undersøge strukturen af ​​edderkoppesilken på molekylært niveau.

"Det viser sig, at fiberen er lavet af en række nanostrenge, " sagde Schniepp. "Hver nanostreng er en tynd tråd lavet af protein, mindre end en milliontedel af en tomme i diameter."

Avisen rapporterer, at en typisk eneboer-silkefilament består af omkring 2, 500 nanostrenge. Schniepp og Wang udviklede en detaljeret strukturel model af silken, afslører også andre interessante karakteristika ved eneboerens kabelstruktur.

Forskere har længe vidst, at eneboer silke er flad, snarere end rund, i tværsnit. Mærkeligt nok, Schniepp og Wang rapporterer, at nanostrengene, eller nanofibriller, som udgør kablet, er ikke flettet eller snoet som reb, men er snarere arrangeret parallelt.

Det er svært at beskrive, hvor tyndt et eneboerbånd er. Selv den gamle standby af tyndhed, menneskehår, viser sig at være utilfredsstillende.

"Hvordan sammenligner du tykkelsen af ​​et rundt hår med et fladt bånd?" spurgte Schniepp. "Det er lidt af en vanskelig en, hvis du vil være præcis."

Han tilføjede, at en nøjagtig sammenligning ikke kun tager højde for tykkelsen af ​​eneboerens bånd, som er tusind gange mindre end tykkelsen af ​​et hår, men også det faktum, at hårets tværsnit er ti gange større end silkestrengen. Følgelig, Schniepp sagde, silketværsnittet er 1/10, 000. det af et menneskehår.

Schniepp og Wang fandt også ud af, at de individuelle nanostrenge let adskilles fra hinanden, hvilket indikerer, at bindingerne mellem nanofibrillerne er relativt svage. Men de fandt også ud af, at en nøgle til styrken af ​​silkestrukturen ligger i længden af ​​hver enkelt nanostreng.

Forskere har foreslået en række modeller til at forklare edderkoppesilkens organisatoriske sammensætning, og hvad denne struktur bidrager til de ønskværdige og vigtige egenskaber ved sejhed og styrke. Schniepp siger, at den struktur, der foreslås i papiret, er den enkleste og mest elegante af de store modeller.

"Vi tror, ​​at hemmeligheden bag brun eneboer edderkoppesilke i det væsentlige stammer fra den individuelle nanofibril, " han sagde.