Jaktspindlar klättrar lätt på vertikala ytor eller rör sig upp och ner i taket. Tusen små hårstrån i ändarna av deras ben ser till att de inte faller av. Som spindelns exoskelett, dessa borstliknande hårstrån (så kallade setae) består huvudsakligen av proteiner och kitin, som är en polysackarid. För att ta reda på mer om deras fina struktur, ett tvärvetenskapligt forskarlag från avdelningarna för biologi och fysik vid Kiel University och Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) undersökte den molekylära strukturen hos dessa hårstrån i närmare detalj vid DESY:s röntgenljuskälla PETRA III och vid European Synchrotron Radiation Facility ESRF. Tack vare det mycket energiska röntgenljuset, forskarna upptäckte att kitinmolekylerna i setae är speciellt arrangerade för att motstå påfrestningarna av konstant vidhäftning och lossning. Deras resultat kan vara grunden för mycket motståndskraftiga framtida material. De har publicerats i det aktuella numret av Journal of the Royal Society Interface .

De små kontaktplattorna på spindelbenen, som bara är några hundra nanometer stora, utsätts för stora krafter när spindeln springer eller klättrar. Dock, dessa vidhäftande strukturer tål lätt den tunga påfrestningen. "I jämförelse, artificiellt framställda material tenderar att gå sönder oftare, " säger Stanislav N. Gorb från Zoologiska institutet vid Kiel University. "Det är därför vi vill ta reda på vad som gör spindelben så stabila i att motstå starka avdragskrafter." Tillsammans med medlemmarna i hans arbetsgrupp "Functional Morphology and Biomechanics". , zoologen undersöker mekanismer för biologisk vidhäftning och hur de kan överföras i konstgjorda material och ytor.

Gorb och hans kollega, zoologen och biomekanikern Clemens Schaber, antog att hemligheten bakom stabiliteten hos spindelhäftande hårstrån ligger i molekylstrukturen hos deras material. Med tanke på hårstrånas små dimensioner i det lägre mikrometerområdet, dock, det är omöjligt att undersöka deras molekylära materialarkitektur med konventionella metoder.

För att verifiera deras hypotes, forskarna från Kiel samarbetade med Martin Müller från Institutet för experimentell och tillämpad fysik, Chef för avdelningen Materialfysik vid HZG. Tillsammans med sitt team och doktorand Silja Flenner, forskarna undersökte de vidhäftande hårstråna hos spindelarten Cupiennius salei med metoder för rumsligt upplöst röntgendiffraktion vid ESRF i Grenoble, Frankrike, och på DESYs PETRA III i Hamburg.

Dessa lagringsringar är bland de bästa och mest kraftfulla röntgenkällorna i världen. Och det är här som forskargruppen träffade spindelmaterialet med röntgenstrålar. Hur exakt denna strålning sprids av materialet ger insikter av nanometerprecision om materialets sammansättning. "Denna metod avslöjade att kitinmolekylerna i de vidhäftande spindelhåren har ett mycket specifikt arrangemang vid spetsarna av hårstråna. Materialet i spetsarna stärker de vidhäftande hårstråna i riktning mot avdragningskraften på grund av närvaron av parallellt orienterade hårstrån. kitinfibrer, Müller sa, sammanfattar sina resultat.

"En annan anmärkningsvärd insikt är att kitinfibrerna i andra delar av spindelbenen löper i olika riktningar. Denna struktur, som liknar plywood, gör hårstrået stabilt i olika böjningsriktningar, " förklarar Schaber, huvudförfattare till studien. Den parallella inriktningen av fibermolekylerna i de vidhäftande hårstråna, å andra sidan, följer de drag- och tryckkrafter som verkar på dem. Denna struktur gör att hårstråna absorberar de påfrestningar som uppstår när spindelbenen fäster och lossnar.

Liknande självhäftande hårstrån kan hittas, till exempel, på geckos ben. Forskargruppen antar därför att detta kan vara en viktig biologisk princip som gör att djur kan fästa sig på olika ytor. Deras resultat kan således få banbrytande konsekvenser för utvecklingen av nya material med hög resiliens. Dock, att på konstgjord väg simulera intelligenta biomimetiska molekylära arrangemang, såsom de i kitinfibrer på nanoskala, förblir utmanande.

"Naturen använder olika metoder:biologiska material och deras struktur växer samtidigt, medan stegen som är involverade i artificiell produktion är sekventiella, ", sa Gorb. Nya additiv produktionsteknik som 3D-utskrift i nanoskala kan en dag bidra till utvecklingen av helt nya material som inspirerats av naturen.