DESYs røntgenkilde PETRA III afslører detaljer om klæbende strukturer af edderkoppeben

Jagtedderkopper klatrer let på lodrette overflader eller bevæger sig på hovedet i loftet. Tusind små hår i enderne af deres ben sørger for, at de ikke falder af. Ligesom edderkoppens eksoskelet, disse børstehårlignende hår (såkaldte setae) består hovedsageligt af proteiner og kitin, som er et polysaccharid. For at finde ud af mere om deres fine struktur, et tværfagligt forskerhold fra biologi og fysik afdelinger ved Kiel University og Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) undersøgte disse hårs molekylære struktur nærmere ved DESYs røntgen lyskilde PETRA III og ved European Synchrotron Radiation Facility ESRF. Takket være det meget energiske røntgenlys, forskerne opdagede, at kitinmolekylerne i sætene er specielt indrettet til at modstå belastningerne ved konstant vedhæftning og løsrivelse. Deres fund kan være grundlaget for meget modstandsdygtige fremtidige materialer. De er blevet offentliggjort i det aktuelle nummer af Journal of the Royal Society Interface .

De små kontaktplader på edderkoppebenene, som kun er et par hundrede nanometer i størrelse, er udsat for store kræfter, når edderkoppen løber eller klatrer. Imidlertid, disse klæbende strukturer modstår let den tunge belastning. "Sammenlignet med, kunstigt fremstillede materialer har en tendens til at bryde oftere, "siger Stanislav N. Gorb fra Zoological Institute ved Kiel University." Derfor vil vi finde ud af, hvad der gør edderkoppeben så stabile i at modstå stærke pull off -kræfter. "Sammen med medlemmerne af hans arbejdsgruppe" Functional Morphology and Biomechanics " , zoologen undersøger mekanismer for biologisk vedhæftning, og hvordan de kan overføres i kunstige materialer og overflader.

Gorb og hans kollega, zoologen og biomekanikeren Clemens Schaber, antaget, at hemmeligheden bag stabiliteten af ​​edderkopklæbende hår ligger i molekylstrukturen i deres materiale. I betragtning af hårets små dimensioner i det lavere mikrometerområde, imidlertid, det er umuligt at undersøge deres molekylære materialearkitektur ved hjælp af konventionelle metoder.

For at bekræfte deres hypotese, forskerne fra Kiel samarbejdede med Martin Müller fra Institute of Experimental and Applied Physics, Leder af Materials Physics divisionen ved HZG. Sammen med sit team og doktorforsker Silja Flenner, forskerne undersøgte de klæbende hår af edderkoppearten Cupiennius salei ved hjælp af metoder til rumligt løst røntgendiffraktion ved ESRF i Grenoble, Frankrig, og på DESY's PETRA III i Hamborg.

Disse opbevaringsringe er blandt de bedste og mest kraftfulde røntgenkilder i verden. Og det er her, forskergruppen ramte edderkoppematerialet med røntgenstråler. Hvordan præcis denne stråling spredes af materialet, giver indsigt i nanometerpræcision om materialets sammensætning. "Denne metode afslørede, at kitinmolekylerne i edderkoppens klæbende hår har et meget specifikt arrangement ved hårspidserne. Spidsernes materiale styrker de klæbende hår i retning af aftrækningskraften på grund af tilstedeværelsen af ​​parallelt orienterede kitinfibre, "Sagde Müller, opsummerer deres fund.

"En anden bemærkelsesværdig indsigt er, at kitinfibrene i andre dele af edderkoppebenene løber i forskellige retninger. Denne struktur, der ligner krydsfiner, gør hårskaftet stabilt i forskellige bøjningsretninger, "forklarer Schaber, hovedforfatter af undersøgelsen. Den parallelle opstilling af fibermolekylerne i de klæbende hår, på den anden side, følger trækkraft og tryk kræfter, der virker på dem. Denne struktur gør det muligt for hårene at absorbere de belastninger, der opstår, når edderkoppebenene klæber og løsner sig.

Lignende klæbende hår kan findes, for eksempel, på benene på gekkoer. Forskergruppen antager derfor, at dette kan være et vigtigt biologisk princip, der gør det muligt for dyr at klæbe til forskellige overflader. Deres fund kan således have banebrydende konsekvenser for udviklingen af ​​nye materialer med høj modstandsdygtighed. Imidlertid, at kunstigt simulere intelligente biomimetiske molekylære arrangementer, såsom dem i kitinfibre på nanoskalaen, forbliver udfordrende.

"Naturen bruger forskellige metoder:biologiske materialer og deres struktur vokser samtidigt, mens trinene i kunstig produktion er sekventielle, "sagde Gorb. Nye additiv produktionsteknologier såsom 3D-print i nanoskala kan en dag bidrage til udviklingen af ​​helt nye materialer, der var inspireret af naturen.