Wetenschappers ontrafelen de geheimen van een van de meest intrigerende en potentieel waardevolle materialen van de natuur:spinzijde.

Een streng spinnenzijde is vijf keer sterker dan een stalen kabel van hetzelfde gewicht, zei Hannes Schniepp van de afdeling Toegepaste Wetenschappen van William &Mary. Zijn lab heeft de geheimen achter de kracht van de bruine kluizenaarspin ontrafeld.

Hun laatste ontdekking is een verrassing:de bruine kluizenaar spint geen enkele streng eiwitvezels.

"We verwachtten dat de vezel een enkele massa was, ' legde Schniepp uit. 'Maar wat we ontdekten was dat de zijde eigenlijk een soort kabeltje was.'

De ontdekking komt bovenop een rapport uit 2017 van hetzelfde laboratorium waaruit blijkt dat een andere factor in de sterkte van bruine kluizenaarszijde afkomstig is van lussen die in de structuur zijn gesponnen. Het werk wordt gefinancierd door de National Science Foundation. Spinzijde is een belangrijk onderwerp omdat de sterkte en taaiheid synthetische spinzijde tot een "heilige graal" van materiaalwetenschap en techniek maakt.

"Het begrijpen van de redenen waarom spinzijde een grotere mechanische taaiheid heeft in vergelijking met insectenzijde, was een primaire motivator voor een aantal onderzoeken, evenals de wens om grote hoeveelheden spinrag synthetisch te produceren in het laboratorium. Van dit perspectief, de gerapporteerde resultaten bieden een interessante aanwijzing voor de 'kunsten van het vak' die de natuur heeft bij het produceren van verbazingwekkende materialen, " zegt NSF-programmadirecteur Mohan Srinivasarao, die het onderzoek hielpen financieren.

"Het begrijpen van de eigenschappen van bruine kluizenaarszijde op moleculair niveau geeft niet alleen inzicht in een van de taaiste materialen van de natuur, het kan ook een weg zijn voor het ontwerpen van andere synthetische materialen, " hij voegde toe.

Schniepp en Qijue Wang, een afgestudeerde student toegepaste wetenschappen, hun bevindingen beschreven in een paper, "Sterkte van kluizenaarsspinnenzijde is afkomstig van nanofibrillen, " in ACS-macrobrieven , een veelgeciteerd tijdschrift van de American Chemical Society. Ze gebruikten een uiterst gevoelige techniek die bekend staat als atoomkrachtmicroscopie om de structuur van de spinzijde op moleculair niveau te onderzoeken.

"Het blijkt dat de vezel is gemaakt van een aantal nanostrengen, " zei Schniepp. "Elke nanostreng is een dunne draad gemaakt van eiwit, minder dan een miljoenste van een inch in diameter."

Het artikel meldt dat een typisch kluizenaarszijdefilament bestaat uit ongeveer 2, 500 nanostrengen. Schniepp en Wang ontwikkelden een gedetailleerd structureel model van de zijde, waardoor ook andere interessante kenmerken van de kabelstructuur van de kluizenaar worden onthuld.

Wetenschappers weten al lang dat kluizenaarszijde plat is, in plaats van rond, in dwarsdoorsnede. nieuwsgierig, Schniepp en Wang melden dat de nanostrengen, of nanofibrillen, waaruit de kabel bestaat, is niet gevlochten of gedraaid als touw, maar zijn eerder parallel gerangschikt.

Het is moeilijk te beschrijven hoe dun een kluizenaarslint is. Zelfs die oude stand-by van dunheid, het mensenhaar, blijkt onbevredigend.

"Hoe vergelijk je de dikte van een rond haar met een plat lint?" vroeg Schniepp. "Dat is een beetje een lastige als je nauwkeurig wilt zijn."

Hij voegde eraan toe dat een nauwkeurige vergelijking niet alleen rekening houdt met de dikte van het kluizenaarslint, die duizend keer minder is dan de dikte van een haar, maar ook het feit dat de doorsnede van het haar tien keer zo groot is als die van de zijden streng. Bijgevolg, Schniepp zei, de zijdedoorsnede is 1/10, 000ste van een mensenhaar.

Schniepp en Wang ontdekten ook dat de afzonderlijke nanostrengen gemakkelijk van elkaar kunnen worden gescheiden, wat aangeeft dat de bindingen tussen de nanofibrillen relatief zwak zijn. Maar ze ontdekten ook dat een sleutel tot de sterkte van de zijdestructuur ligt in de lengte van elke individuele nanostreng.

Wetenschappers hebben een aantal modellen voorgesteld om de organisatorische samenstelling van spinnenzijde te verklaren en wat die structuur bijdraagt ​​aan de gewenste en belangrijke eigenschappen van taaiheid en sterkte. Schniepp zegt dat de in de paper voorgestelde structuur de eenvoudigste en meest elegante van de belangrijkste modellen is.

"Wij geloven dat het geheim van bruine kluizenaarsspinnenzijde in wezen voortkomt uit de individuele nanofibrillen, " hij zei.