เหตุใดไหมแมงมุมจึงแข็งแกร่งกว่าเหล็ก ทั้งๆ ที่มันเปราะบางมาก?

ใยแมงมุมเป็นที่รู้จักกันมานานแล้วว่าเป็นวัสดุธรรมชาติที่ทนทานอย่างเหลือเชื่อ แม้แต่แมงมุมบางสายพันธุ์ก็ผลิตใยแมงมุมที่แข็งแกร่งกว่าเหล็กถึงห้าเท่า เช่น แมงมุม Brown Reclusa แต่ก็ต้องสงสัยว่าทำไมใยแมงมุมถึงดูบอบบาง แต่กลับมีความทนทานอย่างเหลือเชื่อ นี่เป็นคำถามที่สร้างความสับสนให้กับ นักวิทยาศาสตร์ และเพิ่งค้นพบคำตอบเมื่อไม่นานมานี้

ไหมแมงมุมมีความแข็งแรงมาก แม้กระทั่งแข็งแรงกว่าลวดเหล็กก็ตาม

ใยแมงมุมมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์

ใยแมงมุมเป็นเส้นใยโปรตีนที่แมงมุมผลิตและปั่นขึ้น พวกมันใช้ใยนี้สร้างใยเพื่อจับเหยื่อหรือปกป้องไข่และลูกแมงมุม โครงสร้างที่แข็งแรงของใยแมงมุมเหล่านี้ช่วยให้แมงมุมสามารถจับเหยื่อที่มีขนาดใหญ่กว่าตัวมันได้หลายเท่า

เมื่อไม่นานมานี้ นักวิจัยจากวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ประยุกต์ วิทยาลัยวิลเลียมแอนด์แมรี ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเพื่อสังเกตโครงสร้างระดับจุลภาคของเส้นใยไหมที่แมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลสร้างขึ้นเพื่อปกป้องไข่และจับเหยื่อ พวกเขาค้นพบว่าเส้นใยไหมแต่ละเส้นซึ่งบางกว่าเส้นผมของมนุษย์นั้น แท้จริงแล้วประกอบด้วยเส้นใยนาโนหลายพันเส้น มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 20 นาโนเมตร และยาวประมาณ 1 ไมโครเมตร

เส้นใยนาโนเหล่านี้อาจดูไม่ยาวนัก แต่สามารถยืดได้มากกว่าขนาดเดิมถึง 50 เท่า โครงสร้างนี้ทำให้ใยแมงมุมมีความแข็งแรงทนทานมาก โดยมีความแข็งแรงและทนทานมากกว่าแท่งเหล็กที่มีขนาดเท่ากันถึง 5 เท่า

ไหมแมงมุมสามารถยืดได้ถึง 50 เท่าของขนาดเดิม

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก อ้างว่าใยแมงมุมทำมาจากเส้นใยนาโน แต่ไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดจนกระทั่งการค้นพบนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ ACS Macro Letters (สหรัฐอเมริกา)

นั่นเป็นเพราะใยของแมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลประกอบด้วยเส้นใยนาโนที่เรียงตัวเป็นแผ่นแบนๆ แทนที่จะเรียงตัวเป็นทรงกระบอกเหมือนแมงมุมชนิดอื่นๆ ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์สังเกตใยเหล่านี้ได้ง่ายขึ้นโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม

การค้นพบนี้เป็นส่วนเสริมงานวิจัยที่ทีมวิจัยได้ดำเนินการในปี 2017 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับใยไหมด้วยเทคนิคการวนลูปแบบพิเศษ เช่นเดียวกับจักรเย็บผ้าขนาดเล็ก แมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลจะทอเส้นใยนาโนประมาณ 20 เส้นต่อใยไหมทุก ๆ มิลลิเมตรที่ปั่น ทำให้ใยไหมมีความแข็งแรงมากขึ้นและไม่ขาด

เส้นไหมแมงมุมถูก "เสียสละ" เพื่อรักษาโครงสร้างโดยรวมไว้

ผู้เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์โมเลกุลได้ศึกษาใยแมงมุมสายพันธุ์ต่างๆ รวมถึงแมงมุมสวนยุโรป Araneus diadematus และแมงมุมทอใย Nephila clavipes จากการศึกษาใยในระดับโมเลกุล พวกเขาพบว่าสามารถอธิบายความแข็งแรงของใยแมงมุมได้

ดร. บิวเลอร์ อธิบายว่าเส้นใยไหมแต่ละเส้นสามารถ “เสียสละ” เพื่อรักษาโครงสร้างโดยรวมไว้ได้ “เมื่อเส้นใยไหมถูกดึง โครงสร้างโมเลกุลของมันจะยืดออกเมื่อแรงดึงเพิ่มขึ้น ทำให้เส้นใยยืดออก” เขากล่าว

ไหมแมงมุมจะขาดก็ต่อเมื่อต้องการรักษาโครงสร้างโดยรวมเอาไว้เท่านั้น

การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นในสี่ขั้นตอน ขั้นแรก เส้นใยทั้งหมดจะถูกยืดออก จากนั้นเป็นขั้นตอนการผ่อนคลาย ซึ่งโปรตีนจะ “คลี่คลาย” ในขั้นตอนที่สาม เส้นใยจะเข้าสู่ช่วงแข็งที่ดูดซับแรงได้มากที่สุด Buehler เปรียบเทียบขั้นตอนสุดท้ายก่อนที่เส้นใยจะขาดกับการฉีกเทปออก นอกจากนี้ การแยกเส้นใยยังต้องใช้แรงมาก เนื่องจากโปรตีนยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนเหนียว

“ความแข็งแกร่งของใยแมงมุมไม่ได้เกิดจากความแข็งแรงของเส้นไหมเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังเกิดจากคุณสมบัติทางกลที่เปลี่ยนไปเมื่อถูกดึงอีกด้วย” ดร. บิวเลอร์ กล่าว

เตี๊ยต อันห์ (ที่มา: การสังเคราะห์)

มีประโยชน์
อารมณ์
ความคิดสร้างสรรค์
มีเอกลักษณ์
ความโกรธ