Mengapa sutera labah-labah lebih kuat daripada keluli walaupun sangat rapuh?

Sutera labah-labah telah lama dikenali sebagai bahan semula jadi yang paling tahan lama. Malah terdapat spesies labah-labah yang menghasilkan sutera yang lima kali lebih kuat daripada keluli, seperti labah-labah reclusa coklat. Tetapi seseorang juga mesti tertanya-tanya mengapa sutera labah-labah, yang kelihatan sangat rapuh, sangat tahan lama. Ini juga merupakan soalan yang membingungkan saintis , dan mereka baru sahaja menemui jawapannya.

Sutera labah-labah sangat kuat, bahkan lebih kuat daripada dawai keluli.

Sutera labah-labah mempunyai struktur yang unik.

Sutera labah-labah adalah serat protein yang dihasilkan dan berputar oleh labah-labah. Mereka menggunakannya untuk mencipta sarang untuk menangkap mangsa atau untuk melindungi telur dan anak labah-labah mereka. Struktur kuat gentian sutera ini membolehkan labah-labah menangkap mangsa berkali-kali ganda saiznya.

Baru-baru ini, penyelidik di Kolej William dan Mary (AS) menggunakan mikroskopi daya atom untuk memerhatikan struktur mikro gentian sutera yang dicipta oleh labah-labah bertapa coklat untuk melindungi telur mereka dan menangkap mangsa. Mereka mendapati bahawa setiap helai sutera labah-labah, lebih nipis daripada rambut manusia, sebenarnya terdiri daripada beribu-ribu gentian nano yang berbeza, hanya diameter 20 nm dan kira-kira 1 μm panjang.

Gentian nano ini mungkin tidak kelihatan panjang, tetapi ia boleh meregang lebih daripada 50 kali ganda saiz asalnya. Struktur ini menjadikan sutera labah-labah sangat lasak dan kuat, dengan kekuatan dan ketahanan sehingga 5 kali lebih besar daripada bar keluli dengan saiz yang sama.

Sutera labah-labah boleh menghulurkan sehingga 50 kali ganda saiz asal.

Sebelum ini, saintis seluruh dunia mendakwa sutera labah-labah diperbuat daripada gentian nano tetapi tiada bukti kukuh sehingga penemuan ini diterbitkan dalam jurnal saintifik ACS Macro Letters (USA).

Itu kerana sutera bertapa coklat terdiri daripada gentian nano yang disusun dalam susunan rata, bukannya dalam corak silinder seperti kebanyakan labah-labah lain. Ini memudahkan saintis memerhati mereka menggunakan mikroskopi daya atom.

Ini menambah kepada penyelidikan pasukan yang dijalankan pada 2017, menunjukkan cara labah-labah bertapa coklat menguatkan sutera mereka menggunakan teknik gelung khas. Seperti mesin jahit kecil, labah-labah bertapa coklat menganyam kira-kira 20 benang nano untuk setiap milimeter sutera yang diputar, menguatkan benang supaya tidak putus.

Sehelai sutera labah-labah "dikorbankan" untuk mengekalkan struktur keseluruhan.

Pakar mekanik molekul telah memeriksa sarang spesies labah-labah yang berbeza, termasuk labah-labah taman Eropah Araneus diadematus dan labah-labah penenun sarang Nephila clavipes. Dengan mengkaji sutera di peringkat molekul, mereka mendapati mereka boleh menerangkan kekuatan sarang labah-labah.

Dr Buehler menjelaskan bahawa gentian sutera individu boleh "dikorbankan" untuk mengekalkan struktur keseluruhan. "Apabila gentian sutera ditarik, struktur molekulnya meregang apabila daya bertambah, meregangkan gentian itu," katanya.

Sutera labah-labah hanya pecah apabila ia ingin mengekalkan struktur keseluruhannya.

Perubahan ini berlaku dalam empat peringkat: pertama, keseluruhan filamen diregangkan; kemudian, fasa relaksasi di mana protein "terbuka". Ketiga, filamen mengalami fasa kaku yang menyerap jumlah daya yang paling besar. Peringkat akhir sebelum filamen pecah diibaratkan oleh Buehler seperti mengoyakkan sekeping pita; ia juga memerlukan daya yang besar untuk memecahkan filamen kerana protein diikat bersama oleh ikatan hidrogen yang melekit.

"Kekuatan sarang labah-labah bukan sahaja disebabkan oleh kekuatan benang sutera, tetapi juga bagaimana sifat mekanikalnya berubah apabila ditarik," kata Dr. Buehler.

Tuyet Anh (Sumber: Sintesis)

Berguna
emosi
Kreatif
Unik
Kemarahan