Dlaczego nić pajęcza jest mocniejsza od stali, mimo że jest bardzo delikatna?

[reklama_1]

Jedwab pajęczy od dawna uchodzi za najbardziej wytrzymały materiał naturalny. Istnieją nawet gatunki pająków, które wytwarzają jedwab pięciokrotnie mocniejszy od stali, jak na przykład pająk pustynny. Nasuwa się jednak pytanie, dlaczego jedwab pajęczy, który wygląda na tak kruchy, jest tak niewiarygodnie trwały. To pytanie dręczy naukowców , a odpowiedź na nie pojawiła się dopiero niedawno.

Jedwab pajęczy jest bardzo mocny, mocniejszy nawet od drutu stalowego.

Jedwab pajęczy ma wyjątkową strukturę.

Jedwab pajęczy to włókno białkowe, które pająki wytwarzają i przędzą. Używają go do tworzenia sieci, aby chwytać ofiary lub chronić jaja i młode pająki. Mocna struktura tych włókien pozwala pająkom chwytać ofiary wielokrotnie większe od nich samych.

Niedawno naukowcy z College of William and Mary (USA) wykorzystali mikroskopię sił atomowych do obserwacji mikrostruktury włókien jedwabiu, które pająki pustelniki brunatne wytwarzają, aby chronić jaja i chwytać ofiary. Odkryli, że każde pasmo jedwabiu pająka, cieńsze od ludzkiego włosa, w rzeczywistości składa się z tysięcy różnych nanowłókien o średnicy zaledwie 20 nm i długości około 1 μm.

Te nanowłókna mogą wydawać się niepozorne, ale potrafią rozciągnąć się ponad 50 razy w stosunku do swojego pierwotnego rozmiaru. Taka struktura sprawia, że pajęcza nić jest bardzo wytrzymała i mocna, a jej wytrzymałość i trwałość są nawet 5 razy większe niż w przypadku stalowego pręta tej samej wielkości.

Jedwab pajęczy może rozciągnąć się nawet 50-krotnie w stosunku do swojego pierwotnego rozmiaru.

Wcześniej naukowcy na całym świecie twierdzili, że jedwab pajęczy składa się z nanowłókien, ale dopóki odkrycie to nie zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym ACS Macro Letters (USA), nie było na to żadnych twardych dowodów.

Dzieje się tak, ponieważ jedwab pustelnika brunatnego składa się z nanowłókien ułożonych w płaski układ, a nie w cylindryczny wzór, jak u większości innych pająków. Dzięki temu naukowcy łatwiej je obserwują za pomocą mikroskopii sił atomowych.

Stanowi to uzupełnienie badań przeprowadzonych przez zespół w 2017 roku, które wykazały, jak pająki pustelniki brunatne wzmacniają swoją sieć za pomocą specjalnej techniki pętelkowania. Niczym maleńka maszyna do szycia, pająki pustelniki brunatne tkają około 20 nanonitków na każdy milimetr przędzonego jedwabiu, wzmacniając nić i zapobiegając jej zerwaniu.

Pojedyncza nić pajęczej nici zostaje „poświęcona” w celu utrzymania ogólnej struktury.

Eksperci mechaniki molekularnej zbadali sieci różnych gatunków pająków, w tym krzyżaka ogrodowego Araneus diadematus i pająka tkającego sieci Nephila clavipes. Badając jedwab na poziomie molekularnym, odkryli, że mogą wyjaśnić wytrzymałość sieci pajęczych.

Dr Buehler wyjaśnia, że pojedyncze włókna jedwabiu można „poświęcić”, aby zachować ogólną strukturę. „Kiedy włókno jedwabiu jest ciągnięte, jego struktura molekularna rozciąga się wraz ze wzrostem siły, co powoduje rozciągnięcie włókna” – mówi.

Jedwab pajęczy pęka tylko wtedy, gdy chce zachować swoją ogólną strukturę.

Ta zmiana zachodzi w czterech etapach: najpierw cały filament jest rozciągany; następnie następuje faza relaksacji, w której białka „rozwijają się”. W trzecim etapie filament przechodzi fazę sztywności, która pochłania największą siłę. Ostatni etap przed pęknięciem filamentu Buehler porównuje do odrywania kawałka taśmy; rozerwanie filamentu również wymaga dużej siły, ponieważ białka są połączone lepkimi wiązaniami wodorowymi.

„Wytrzymałość pajęczej sieci zależy nie tylko od wytrzymałości jedwabnej nici, ale także od tego, jak zmieniają się jej właściwości mechaniczne pod wpływem rozciągania” – powiedział dr Buehler.

Tuyet Anh (Źródło: Synthesis)

Użyteczne
Emocja
Twórczy
Unikalny
Gniew