Warum ist Spinnenseide trotz ihrer hohen Zerbrechlichkeit stärker als Stahl?

Spinnenseide gilt seit Langem als eines der unglaublich haltbarsten Naturmaterialien. Es gibt sogar Spinnenarten, die Seide produzieren, die fünfmal stärker als Stahl ist, wie beispielsweise die Braune Einsiedlerspinne. Doch man fragt sich unwillkürlich, warum Spinnenseide, die so zerbrechlich aussieht, so unglaublich haltbar ist. Auch diese Frage beschäftigte Wissenschaftler lange, und erst vor Kurzem fanden sie die Antwort.

Spinnenseide ist sehr stark, sogar stärker als Stahldraht.

Spinnenseide besitzt eine einzigartige Struktur.

Spinnenseide ist eine Proteinfaser, die Spinnen produzieren und spinnen. Sie nutzen sie, um Netze zu bauen, mit denen sie Beute fangen oder ihre Eier und Jungspinnen schützen. Die starke Struktur dieser Seidenfasern ermöglicht es Spinnen, Beute zu erlegen, die um ein Vielfaches größer ist als sie selbst.

Forscher des College of William and Mary (USA) untersuchten kürzlich mithilfe der Rasterkraftmikroskopie die Mikrostruktur der Seidenfasern, die Braune Einsiedlerspinnen zum Schutz ihrer Eier und zum Beutefang herstellen. Sie entdeckten, dass jeder einzelne Spinnenseidenfaden, dünner als ein menschliches Haar, aus Tausenden von Nanofasern besteht, die nur 20 nm im Durchmesser und etwa 1 μm lang sind.

Diese Nanofasern mögen kurz erscheinen, können sich aber auf mehr als das 50-fache ihrer ursprünglichen Länge dehnen. Dank dieser Struktur ist Spinnenseide extrem widerstandsfähig und reißfest; ihre Festigkeit und Haltbarkeit sind bis zu fünfmal höher als die eines gleich großen Stahlstabs.

Spinnenseide kann sich bis auf das 50-fache ihrer ursprünglichen Länge dehnen.

Zuvor hatten Wissenschaftler auf der ganzen Welt behauptet, Spinnenseide bestehe aus Nanofasern, doch gab es dafür keine handfesten Beweise, bis diese Entdeckung in der wissenschaftlichen Zeitschrift ACS Macro Letters (USA) veröffentlicht wurde.

Das liegt daran, dass die Seide der Braunen Einsiedlerspinne aus flach angeordneten Nanofasern besteht, nicht wie bei den meisten anderen Spinnenarten zylindrisch. Dadurch können Wissenschaftler sie mithilfe der Rasterkraftmikroskopie leichter beobachten.

Dies ergänzt die Forschungsergebnisse des Teams aus dem Jahr 2017, die zeigen, wie Braune Einsiedlerspinnen ihre Seide mithilfe einer speziellen Schlingentechnik verstärken. Wie eine winzige Nähmaschine weben Braune Einsiedlerspinnen etwa 20 Nanofäden pro Millimeter Seide, wodurch der Faden verstärkt wird und nicht reißt.

Ein einzelner Spinnenseidenfaden wird "geopfert", um die Gesamtstruktur aufrechtzuerhalten.

Experten für Molekularmechanik haben die Netze verschiedener Spinnenarten untersucht, darunter die Europäische Gartenspinne (Araneus diadematus) und die Netzspinne (Nephila clavipes). Durch die Untersuchung der Seide auf molekularer Ebene konnten sie die Festigkeit von Spinnennetzen erklären.

Dr. Buehler erklärt, dass einzelne Seidenfasern „geopfert“ werden können, um die Gesamtstruktur zu erhalten. „Wenn an einer Seidenfaser gezogen wird, dehnt sich ihre Molekularstruktur mit zunehmender Kraft aus, wodurch die Faser gedehnt wird“, sagt er.

Spinnenseide reißt nur dann, wenn sie ihre Gesamtstruktur erhalten will.

Diese Veränderung erfolgt in vier Phasen: Zuerst wird das gesamte Filament gedehnt; dann folgt eine Entspannungsphase, in der sich die Proteine ​​entfalten. Drittens durchläuft das Filament eine Steifheitsphase, in der es die größte Kraft absorbiert. Die letzte Phase vor dem Bruch des Filaments vergleicht Buehler mit dem Abreißen eines Klebebands; auch hier ist eine große Kraft erforderlich, um das Filament zu brechen, da die Proteine ​​durch starke Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden.

„Die Festigkeit eines Spinnennetzes beruht nicht nur auf der Festigkeit des Seidenfadens, sondern auch darauf, wie sich seine mechanischen Eigenschaften beim Ziehen verändern“, sagte Dr. Buehler.

Tuyet Anh (Quelle: Synthese)

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Quelle: https://vtc.vn/vi-sao-to-nhen-ben-hon-thep-du-rat-mong-manh-ar801688.html