Hannes Schniepp (vänster) och Qijue Wang använde atomkraftsmikroskopi för att fastställa att den bruna enstöringsspindelns nätsträngar faktiskt är nanofibrer sammansatta till en platt, bandliknande kabel. Kredit:Stephen Salpukas
Forskare tar fram hemligheterna bakom ett av naturens mest spännande och potentiellt värdefulla material - spindelsilke.
En tråd av spindelsilke är fem gånger starkare än en stålkabel med samma vikt, sa Hannes Schniepp vid institutionen för tillämpad vetenskap vid William &Mary. Hans labb har avslöjat hemligheterna bakom styrkan hos den bruna enstöringsspindeln.
Deras senaste upptäckt är en överraskning:Den bruna enstöringen snurrar inte en enda sträng av proteinfiber.
"Vi förväntade oss att finna att fibern var en enda massa, Schniepp förklarade. "Men vad vi fann var att siden faktiskt var en sorts liten kabel."
Upptäckten kommer på toppen av en rapport från 2017 från samma labb som avslöjar att en annan faktor i styrkan hos brunt enstört silke kommer från öglor som snurrats in i strukturen. Arbetet finansieras av National Science Foundation. Spindelsilke är ett viktigt ämne eftersom dess styrka och seghet gör syntetiskt spindelsilke till något av en "helig gral" av materialvetenskap och ingenjörskonst.
"Att förstå orsakerna till att spindelsilke har ökat mekanisk seghet jämfört med insektssilke har varit en primär motivator för ett antal studier, samt önskan att tillverka stora mängder spindelsilke syntetiskt i laboratoriet. Ur detta perspektiv, resultaten som rapporteras ger en intressant ledtråd till de "handelsknep" som naturen har för att producera fantastiska material, " säger NSFs programchef Mohan Srinivasarao, som hjälpte till att finansiera forskningen.
"Att förstå egenskaperna hos brunt enstört silke på molekylär nivå ger inte bara insikter i ett av naturens tuffaste material, det kan också ge en väg för design av andra syntetiska material, " han lade till.
Schniepp och Qijue Wang, en doktorand i tillämpad vetenskap, beskrev sina upptäckter i en tidning, "Strength of Recluse Spider's Silk härstammar från nanofibriller, " i ACS makrobokstäver , en mycket citerad tidskrift från American Chemical Society. De använde en extremt känslig teknik som kallas atomkraftsmikroskopi för att undersöka strukturen av spindelsilket på molekylär nivå.
Ett exemplar av stallet med cirka 100 bruna enstöringar som studeras i Hannes Schniepps labb i Integrated Science Center. Han leder en grupp som studerar egenskaperna hos silket som spins av de giftiga spindeldjuren. Kredit:Stephen Salpukas
"Det visar sig att fibern är gjord av ett antal nanosträngar, " Sa Schniepp. "Varje nanosträng är en tunn tråd gjord av protein, mindre än en miljondels tum i diameter."
Tidningen rapporterar att en typisk enstöring-silkesfilament består av cirka 2, 500 nanosträngar. Schniepp och Wang utvecklade en detaljerad strukturell modell av siden, avslöjar också andra intressanta egenskaper hos enstöringens kabelstruktur.
Forskare har länge vetat att enstöring siden är platt, snarare än rund, i tvärsnitt. Nyfiket, Schniepp och Wang rapporterar att nanosträngarna, eller nanofibriller, som utgör kabeln är inte flätade eller tvinnade som rep, utan är snarare anordnade parallellt.
Det är svårt att beskriva hur tunt ett enstöringsband är. Även det gamla beredskapsläget för tunnhet, människohåret, visar sig vara otillfredsställande.
"Hur jämför du tjockleken på ett runt hår med ett platt band?" frågade Schniepp. "Det är lite knepigt om du vill vara korrekt."
Han tillade att en korrekt jämförelse inte bara tar hänsyn till tjockleken på enstöringsbandet, som är tusen gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå, men också det faktum att hårets tvärsnitt är tio gånger större än silkessträngen. Följaktligen, Schniepp sa, sidentvärsnittet är 1/10, 000:e det av ett människohår.
Schniepp och Wang fann också att de individuella nanosträngarna lätt kan separeras från varandra, vilket indikerar att bindningarna mellan nanofibrillerna är relativt svaga. Men de fann också att en nyckel till styrkan i sidenstrukturen ligger i längden på varje enskild nanosträng.
Forskare har föreslagit ett antal modeller för att förklara spindelsilkets organisatoriska sammansättning och vad den strukturen bidrar med till de önskvärda och viktiga egenskaperna av seghet och styrka. Schniepp säger att strukturen som föreslås i tidningen är den enklaste och mest eleganta av de stora modellerna.
"Vi tror att hemligheten bakom brunt enstöring spindelsilke huvudsakligen härrör från den individuella nanofibrillen, " han sa.
