Det finns två egenskaper som samverkar för att göra spindelsilke så starkt och segt.

Hannes Schniepp säger att den molekylära strukturen hos proteinet som silket spins från – den första delen av spindelns hemlighet – är ganska väl förstått.

"Den moderna biologin har gett oss verktygen för att köra en sekvens, sade Schniepp. Men det är bara ett steg.

Schniepp är docent vid William &Marys institution för tillämpad vetenskap. Han och hans labb har arbetat med omvänd konstruktion av det andra steget:hur spindelns spinnarapparat mekaniskt bearbetar och organiserar proteinet. Vissa spindlar har utvecklat organ för att extrudera strängar som, för deras storlek, är mycket starkare än stål. De har fått nya medel från National Science Foundation för att fortsätta sin forskning.

Labbet fokuserar på bruna enstöringspindlar, som Schniepp jämför med skrået av legendariska asiatiska svärdssmeder.

"Smederna som arbetade för samurajerna i Japan kom på ett mycket komplicerat sätt att tillverka blad som var bättre än något annat svärd, " sade han. "Det var allt i sättet de behandlade materialet.

"I slutet, bladet är fortfarande tillverkat av järn och kol – men om du behandlar dem på rätt sätt, du får en enastående produkt, " han fortsatte.

De japanska svärdssmederna diskuterade inte hemligheterna med sitt hantverk och inte heller den bruna enstöringen. Så Schiepp-labbet använder en rad instrument och tekniker för att härleda spindelns metod från detaljerade, minutgranskning av webbmaterialet.

Schniepp och andra materialforskare är intresserade av att lära sig den bruna enstöringens hemligheter som ett viktigt första steg för att syntetisera ämnet. Han påpekar att hans labb också är intresserad av andra naturliga siden.

"Den bruna enstöringsspindeln som ett riktigt spännande modellsystem som ger oss unika insikter om hur siden fungerar. Och hittills, vi har fokuserat starkt på den bruna enstöringen, " Sa Schniepp. "Men vi tror att det vi kan lära oss av enstöringen också gäller andra silke - andra spindelsilke och till och med silkesilke. Så vi breddar vårt räckvidd för att få en mer allmän förståelse för silkes – hur de fungerar, deras inre mekanik."

Han påpekade att det finns ett "stort spektrum" av möjliga användningsområden för syntetiska proteiner inspirerade av fibrerna som produceras av insekter och spindeldjur. Material baserade på naturliga ämnen är sannolikt mer miljömässigt hållbara än den nuvarande skörden av plast tillverkad av fossila bränslen. Till exempel, Schniepp tänker sig en vattenflaska gjord av ett protein.

"Så du dricker vattnet, " säger han. "Och sedan när du är klar, du kan äta flaskan och få din dagliga dos av protein. Eller så kan du bara slänga den utanför och något djur kommer och äter upp den."

Tiden gryningen av sådana användbara syntetiska ämnen är över oss, sa Schniepp. Han nämnde ett nystartat företag i Kalifornien som skapar designerkläder – "dyrt, med en mycket hög prislapp" - från ett syntetiskt siden.

Målet med Schniepp-labbet är att öka förståelsen för det naturliga siden och hur de produceras så att syntetiska versioner kan skalas upp för massproduktion bortom boutiquemarknaderna.

"Du börjar med att göra små mängder, " han sa, "och de kommer naturligtvis att bli dyra. Men när du lär dig mer, du lär dig att optimera och det blir billigare och billigare."

Schniepp-labbet har studerat brunt enstöring-spindelsilke i fem år och det har gett betydande bidrag till att reda ut spindelns hemligheter. Deras arbete har banat väg för en bättre förståelse av den bruna enstöringens silke.

"Innan, människor hade alla möjliga komplexa modeller av hur silkesfibern ser ut och vad som gör en silkesfiber så stark. Men det var alltid väldigt svårt att bekräfta detta direkt, " sade han. "Experimentella bevis var verkligen sparsamma."

Men enstöringen gör ett siden som har en annan form än andra spindlar, ett faktum som Schniepps labb kunde använda för att komma på ett nytt sätt att se inuti silkessträngstrukturen. "Och vad vi lärde oss är att det här bandet består helt av nanofibriller, " förklarade han - trådar som är 3, 000 gånger tunnare i diameter än ett människohår.

De rapporterade också att siden består av individuella nanofibriller som läggs parallellt - inte vridna som strängar av ett rep. En annan upptäckt är att den bruna enstöringen ökar silkets styrka genom att snurra små öglor i varje tråd.

Den nya NSF-finansieringen kommer att tillåta labbet att fortsätta sin undersökning av nanofibrillernas natur, med hjälp av avancerad mikroskopi och spektroskopi. Målet är att slutföra förståelsen av siden, från den molekylära nivån som sträcker sig till hela silkesfiberns längd.

Medlemmar av Schniepp-labbet inkluderar studenter såväl som doktorander. studenter på William &Mary. Schniepp säger att han kommer att fortsätta uppsökande program till K-12 STEM-studenter.

"Vi har haft mellanstadieelever i vårt labb. Vi erbjuder sommarpraktik till gymnasieelever; jag hade flera studenter som gjorde en ettårig seniorforskarpraktik från Governor's School of Science and Technology i Hampton, " Sa Schniepp. "Vi kan verkligen nå ut till människor på alla nivåer och få dem entusiastiska över denna forskning och kanske påverka några av dem att välja en karriär inom STEM och hjälpa till att främja dessa nya teknologier."