Jagende spinnen beklimmen gemakkelijk verticale oppervlakken of bewegen ondersteboven op het plafond. Duizend kleine haartjes aan de uiteinden van hun poten zorgen ervoor dat ze er niet af vallen. Zoals het exoskelet van de spin, deze borstelachtige haren (zogenaamde setae) bestaan ​​voornamelijk uit eiwitten en chitine, wat een polysacharide is. Om meer te weten te komen over hun fijne structuur, een interdisciplinair onderzoeksteam van de afdelingen Biologie en Natuurkunde van de Universiteit van Kiel en het Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) onderzocht de moleculaire structuur van deze haren in detail bij DESY's röntgenlichtbron PETRA III en bij de European Synchrotron Radiation Facility ESRF. Dankzij het zeer energetische röntgenlicht, de onderzoekers ontdekten dat de chitinemoleculen van de setae specifiek zijn gerangschikt om de spanningen van constante hechting en onthechting te weerstaan. Hun bevindingen kunnen de basis vormen voor zeer veerkrachtige toekomstige materialen. Ze zijn gepubliceerd in het huidige nummer van de Tijdschrift van de Royal Society Interface .

De kleine contactplaten op de spinpoten, die slechts een paar honderd nanometer groot zijn, zijn onderhevig aan grote krachten wanneer de spin rent of klimt. Echter, deze zelfklevende structuren zijn gemakkelijk bestand tegen de zware belasting. "In vergelijking, kunstmatig geproduceerde materialen hebben de neiging om vaker te breken, ", zegt Stanislav N. Gorb van het Zoölogisch Instituut van de Universiteit van Kiel. "Daarom willen we uitzoeken wat spinnenpoten zo stabiel maakt in het weerstaan ​​van sterke trekkrachten." Samen met de leden van zijn werkgroep "Functionele morfologie en biomechanica" , de zoöloog onderzoekt mechanismen van biologische adhesie en hoe deze kunnen worden overgedragen in kunstmatige materialen en oppervlakken.

Gorb en zijn collega, de zoöloog en biomechanicus Clemens Schaber, aangenomen dat het geheim achter de stabiliteit van spinkleefharen in de moleculaire structuur van hun materiaal ligt. Gezien de kleine afmetingen van de haren in het lagere micrometerbereik, echter, het is onmogelijk om hun moleculaire materiaalarchitectuur te onderzoeken met conventionele methoden.

Om hun hypothese te verifiëren, de wetenschappers uit Kiel werkten samen met Martin Müller van het Institute of Experimental and Applied Physics, Hoofd van de afdeling Materiaalfysica van de HZG. Samen met zijn team en promovendus Silja Flenner, de wetenschappers onderzochten de klevende haren van de spinnensoort Cupiennius salei met behulp van methoden voor ruimtelijk opgeloste röntgendiffractie bij ESRF in Grenoble, Frankrijk, en bij DESY's PETRA III in Hamburg.

Deze opbergringen behoren tot de beste en krachtigste röntgenbronnen ter wereld. En hier raakte het onderzoeksteam het spinmateriaal met röntgenstralen. Hoe deze straling precies door het materiaal wordt verstrooid, geeft inzicht in nanometerprecisie over de samenstelling van het materiaal. "Deze methode onthulde dat de chitinemoleculen in de spinkleefharen een zeer specifieke rangschikking hebben aan de uiteinden van de haren. Het materiaal van de uiteinden versterkt de klevende haren in de richting van de trekkracht vanwege de aanwezigheid van parallel georiënteerde chitine vezels, " zei Muller, hun bevindingen samenvatten.

"Een ander opmerkelijk inzicht is dat de chitinevezels in andere delen van de spinpoten in verschillende richtingen lopen. Deze structuur, die vergelijkbaar is met multiplex, maakt de haarschacht stabiel in verschillende buigrichtingen, " legt Schaber uit, hoofdauteur van de studie. De parallelle uitlijning van de vezelmoleculen in de klevende haren, anderzijds, volgt de tractie- en drukkrachten die erop werken. Door deze structuur kunnen de haren de spanningen absorberen die optreden wanneer de spinpoten zich hechten en loslaten.

Vergelijkbare zelfklevende haren zijn te vinden, bijvoorbeeld, op de poten van gekko's. Het onderzoeksteam veronderstelt daarom dat dit een belangrijk biologisch principe kan zijn waardoor dieren zich aan verschillende oppervlakken kunnen hechten. Hun bevindingen kunnen dus baanbrekende implicaties hebben voor de ontwikkeling van nieuwe materialen met een hoge veerkracht. Echter, om intelligente biomimetische moleculaire arrangementen kunstmatig te simuleren, zoals die in chitinevezels op nanoschaal, blijft uitdagend.

"De natuur gebruikt verschillende methoden:biologische materialen en hun structuur groeien gelijktijdig, terwijl de stappen die betrokken zijn bij kunstmatige productie sequentieel zijn, " zei Gorb. Nieuwe technologieën voor additieve productie, zoals 3D-printen op nanoschaal, kunnen ooit bijdragen aan de ontwikkeling van volledig nieuwe materialen die door de natuur zijn geïnspireerd.