クモの糸は非常に脆いのに、なぜ鋼鉄よりも強いのでしょうか?

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クモの糸は、最も驚くほど耐久性に優れた天然素材として昔から知られています。茶色のクモ Loxosceles reclusa のように、鋼鉄の 5 倍の強度を持つ糸を生成するクモの種も存在します。しかし、クモの糸はなぜあんなに脆そうに見えて、こんなにも強いのか、不思議に思う必要もあります。これは科学者たちを悩ませている問題でもあり、最近その答えが見つかりました。

クモの糸は独特な構造をしている

クモの糸はクモが作り出して紡ぐタンパク質繊維です。クモは獲物を捕らえたり、卵や幼虫を守ったりするために、糸を使って巣を作ります。これらの絹糸の強力な構造により、クモは自分の体の大きさの何倍も大きい獲物を捕らえることができます。

最近、ウィリアム・アンド・メアリー大学（米国）応用科学部の研究者らは、原子間力顕微鏡を用いて、ドクイトグモが卵を守り獲物を捕らえるために作り出す絹繊維の微細構造を観察した。研究者たちは、人間の髪の毛よりも細いクモの糸の一本一本が、実は直径わずか20ナノメートル、長さ約1マイクロメートルの数千もの異なるナノファイバーでできていることを発見した。

これらのナノファイバーは長くないように思えるかもしれませんが、元のサイズの 50 倍以上に伸びます。この構造により、クモの糸は非常に丈夫で強くなり、同じ大きさの鉄棒よりも最大 5 倍の強度と耐久性を誇ります。

これまで世界中の科学者がクモの糸はナノファイバーでできていると主張していたが、この発見が科学誌ACS Macro Letters（米国）に掲載されるまでは確固たる証拠はなかった。

その理由は、ドクイトグモの糸が、他のほとんどのクモのように円筒形ではなく、平らなパターンで配列されたナノファイバーで構成されているからです。これにより、科学者は原子間力顕微鏡を使用して観察しやすくなります。

この結果は、チームが2017年に行った研究に追加されるもので、ドクイトグモが特殊なループ技術を使ってどのように糸を強化するかを示している。小さなミシンに似たドクイトグモは、紡ぐ糸1ミリメートルあたり約20本のナノ糸を織り込み、糸を強化して切れるのを防いでいる。

全体の構造を維持するために、クモの糸が「犠牲」になります。

数名の分子力学の専門家が、ヨーロッパグモAraneus diadematusや網を張るジョロウグモなど、さまざまな種類のクモの巣を研究してきました。研究者たちは、分子レベルで絹を研究することで、クモの巣の強さを説明できることを発見した。

ビューラー博士は、全体の構造を維持するために個々の髪の毛を「犠牲にする」ことができると説明しています。 「絹糸を引っ張ると、力が増すにつれて分子構造が伸び、糸が伸びる」と彼は語った。

この変化は 4 段階で起こります。第 1 段階では、絹糸全体が引き伸ばされます。これに続いて、タンパク質が「展開」する緩和段階が続きます。第 3 段階では、シルクは最大の衝撃力を吸収する硬い段階を経ます。ビューラー氏は、絹糸が切れる前の最終段階をテープを引き剥がす動作に例えている。タンパク質が粘着性のある水素結合によって結びついているため、糸を切るにはやはり大きな力が必要である。

「蜘蛛の巣の強さは、絹糸の強さだけでなく、引っ張られたときにその機械的特性がどのように変化するかによっても決まります」とビューラー博士は述べています。

トゥエット・アン（出典：Synthesis）

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