Written by Joe Ballenger

Hoi, ik zit in een Lego League team met mijn school en we willen meer weten over spinnen voor ons onderzoeksproject. Enkele vragen waar u ons hopelijk mee kunt helpen zijn, wat maakt een spinnenweb zo sterk en plakkerig? Is het nog sterker als het groter zou zijn om een persoon vast te houden?

Dank je wel van mijn hele team!!

Spinnenzijde is echt sterk spul. Een enkele streng spinnenzijde kan een vliegend insect tienduizenden keren zijn gewicht vangen en tegenhouden, zonder te breken. Wetenschappers willen deze eigenschap gebruiken voor alledaagse kleding, kogelvrije vesten en andere beschermende kleding. Er is veel belangstelling voor hoe dit te doen, vanuit een chemisch standpunt.

Dus het is een heel leuke vraag, en de Lego League is er zeker in geïnteresseerd vanuit een structureel chemisch perspectief. Maar er zit ook een culturele component aan deze vraag die ik leuk vind.

Ik hang nogal eens aan touwen rond, en ik ben onlangs lid geworden van een sportschool waar een vorm van performance wordt onderwezen die aerial silk heet. Het is een vorm van performance kunst waarbij een danser beweegt door zichzelf op te hangen door zich in een sterke stof te wikkelen.

Toen ik begon met onderzoek naar dit onderwerp, vroeg ik naar de stof die bij dit soort performance wordt gebruikt. Ik was geschokt toen ik ontdekte dat de stof die deze mensen gebruikten nylon was, en niet zijde.

Dus wat is zijde, waarom is het supersterk, en waarom maken we er geen klimuitrusting mee?

Het eerste wat we moeten opmerken is dat spinnenzijde niet het sterkste materiaal is dat de mens kent. Koolstofvezel kan vier keer de belasting aan van spinnenzijde, maar het is niet zo elastisch. Zodra koolstofvezel uitrekt, zelfs een klein beetje, knapt het. Daarom is het een goede vervanging voor dingen die normaal van metaal worden gemaakt… maar het is geen goede vervanging voor vezels die in kleding worden gebruikt. Staal heeft dezelfde eigenschap… de treksterkte is vergelijkbaar met spinnenzijde, maar het is veel zwaarder en lang niet zo flexibel.

De eigenschappen die we in spinnenzijde aantreffen zijn niet zozeer de sterkte als wel de taaiheid. Hoewel we kracht en taaiheid associëren met karaktereigenschappen, zijn ze in de ogen van materiaalwetenschappers heel verschillend. Terwijl sterkte is hoeveel gewicht je aan een kabel kunt hangen, is taaiheid hoe hard je iets kunt raken zonder het te breken.

Dit brengt ons bij spinnenzijde, wat weer een gecompliceerd onderwerp is, omdat. Er zijn ongeveer 7 verschillende soorten zijde die spinnen kunnen spinnen, hoewel velen dit arsenaal niet tot hun beschikking hebben. Deze 7 soorten worden voor verschillende doeleinden gebruikt, hebben totaal verschillende eigenschappen, en verschillende chemische samenstellingen.

Sticky, Stretchy and Strong

Een spinnenweb bestaat hoofdzakelijk uit drie soorten zijde: Flagelliform, aggregaat, en dragline. Dragline zijde is de sterkste zijde, en is wat wetenschappers proberen na te bootsen als ze kleding van het spul proberen te maken.

Wat maakt spinnenzijde zo kleverig?

Flagelliforme zijde is wat de prooi vangt. Ze kan uitrekken en vervormen, tot bijna 30 keer haar lengte, zonder te breken. Het doel is om de snelheid van het insect te stoppen, met de eigenlijke stopkracht geleverd door de sleeplijn zijde waarmee het is verbonden. De flagelliform zijde grijpt het insect echter niet vast. Dat wordt gedaan door de aggregaatzijde.

Geaggregeerde zijde lijkt qua samenstelling op zijde, behalve dat er suikers aan het oppervlak vastzitten. Deze suikers zijn bedekt met OH-groepen, die worden aangetrokken door groepen atomen die veel elektronen hebben. Deze individuele aantrekkingen zijn zwak, maar wanneer er veel van zijn, worden ze zeer sterk.

Deze truc wordt herhaald in het gehele dierenrijk. Viseieren, bijvoorbeeld, gebruiken glycoproteïnen om zich vast te hechten. Ureum, uitgescheiden in urine, is ook efficiënt in waterstofbinding. Het wordt niet alleen gebruikt als lijm om triplex aan elkaar te plakken, maar glimwormvlieglarven gebruiken het ook om hun zijde kleverig te maken.

De sterkte van een spinnenweb als geheel is te danken aan zijn vermogen om aan prooidieren te kleven, maar ook aan zijn vermogen om ze af te remmen zonder te breken.

Waarom is zijde zo sterk?

Sleepzijde is het gemakkelijkst te oogsten van spinnen, en het is ook de sterkste. Omdat hij zo makkelijk te oogsten is, weten we er het meest van.

Zijde is een reusachtig prion, een soort proteïnekristal. Binnenin de spinette, bestaat het uit stukjes zijde die in een vloeibaar medium zweven. Wanneer de zijde wordt geëxtrudeerd, verbinden de moleculen zich en vormen een reusachtige draad die uit de kont van de spin komt.

Hoe zij zich verbinden is een punt van discussie, en ik ga daar hier niet op in. Maar dankzij de röntgenkristallografie weten we hoe de moleculen eruit zien en is het een stuk eenvoudiger om bij het molecuul te beginnen en naar boven te werken.

Van moleculen naar spinnenwebben

Omdat deze vraag afkomstig is van een team dat competitief met lego’s speelt, zullen we eens kijken hoe deze moleculen aan elkaar zijn gekoppeld. De belangrijke structuren in het molecuul zijn stijve delen van het eiwit, beta-sheets genaamd, die zichzelf versterken door waterstofbruggen:

Hier een röntgen kristallografie ‘foto’ van een individuele zijde molecule:

Die gele segmenten zijn beta-sheets, en zij houden het eiwit samen. Het spul aan het eind bestaat meestal uit een ander type structuur, genaamd alfa-helixen. Beta-sheets houden het molecuul bij elkaar, terwijl de alfa-helixen het molecuul een beetje laten rekken. Spinnenzijde is een hoop van deze moleculen die aan elkaar vastzitten, en de manier waarop ze aan elkaar vastzitten versterkt elkaar door het maximaliseren van die waterstofbruggen.

Hier zie je hoe die moleculen aan elkaar vastzitten:

In de structuur van spinnenzijde, verbinden die individuele moleculen zich met elkaar om kristallen te vormen binnen de draad. Die kristallen worden losjes bijeengehouden door flexibelere draden. De waterstofbinding binnen de beta-sheets creëert een sterke structuur, die op meerdere niveaus wordt versterkt. Door de flexibele eiwitstructuren is de spinnenzijde flexibel en rekbaar.

Deze losse verzameling kristallen en eiwitstructuren vormt een touw…en de spin spint meerdere touwen. Deze touwen worden bij elkaar gehouden met een paar eiwitlagen, en dit zorgt voor nog een laag versterking:

Als het opgeschaald zou worden, zouden we zijde dan kunnen gebruiken om mensen vast te houden?

Deze vraag is moeilijk te beantwoorden, omdat we eigenlijk nog geen grote touwen van spinnenzijde kunnen maken. Om op de optimale sterkte te kunnen spinnen, moeten de chemische omstandigheden van de zijde, die buiten het lichaam van het dier wordt geproduceerd, perfect zijn. We zijn nog niet aan grootschalige productie toe, al komen we er misschien wel dichterbij.

Hoe dan ook, het helpt om een soort vergelijking te hebben. Klimtouwen zijn gemaakt van rekbaar nylon, en een streng van de sterkste spinnenzijde ooit is in verhouding 18 keer sterker. Zijderupszijde, die in grote hoeveelheden wordt geproduceerd, is in verhouding 6 keer sterker. We produceren al duizenden jaren rupsenzijde in massaproductie, dus dit is een vrij goed model.

Het moet worden vermeld dat de bovenstaande informatie een vergelijking is tussen individueel gesponnen draden en een commercieel geprepareerd klimtouw. Bereidingsmethoden, vochtigheid, de manier waarop de stof is geweven, en zelfs zaken als kleurstoffen kunnen de sterkte van commercieel vervaardigde producten beïnvloeden. Hoewel een afzonderlijke streng zijde, hetzij van een spin of een rups, ongeveer even sterk is als een afzonderlijke streng nylon die in klimtouw wordt gebruikt… ben ik niet bijzonder gelukkig met deze vergelijking.

Ik heb het gevoel dat de enige manier om deze vraag goed te beantwoorden is door te kijken naar commercieel vervaardigde producten die zijn ontworpen om mensen vast te houden. Hier komt luchtzijde weer om de hoek kijken.

Dit is een dans uitgevoerd op nylon stof, wat betekent dat ik de breeksterkte van deze stof kan vergelijken met commercieel geprepareerde zijde stof. Luchtzijde (ook weer gemaakt van nylon) kan iets meer dan 1100 kg dragen. Surah, aan de andere kant, heeft een breeksterkte van 30 kg. Dit is ver beneden alles waarmee ik mezelf ooit zou ondersteunen. Touwen of luchtzeil moeten minstens 10 maal je gewicht kunnen houden om veilig te kunnen worden gebruikt.

Er zijn toepassingen van zijde die zijn gebruikt om mensen vast te houden, maar door schaarste en handelsovereenkomsten na WO II veranderde zijde van een stof die werd gebruikt om dit soort beschermingsmiddelen te maken in kleding. De manier waarop zijde wordt geprepareerd kan de sterkte ervan drastisch veranderen, zodat dingen die van zijde zijn gemaakt misschien niet sterker zijn dan dingen die van nylon zijn gemaakt, ook al kunnen de afzonderlijke draden sterker zijn.

The Bottom Line

Het vakgebied van de biomimetica heeft de laatste jaren grote vooruitgang geboekt bij het reproduceren van spinnenzijde, maar de enorme verschillen in biochemie tussen de spindop en de in-vitro productiesystemen hebben dit moeilijk gemaakt. De reputatie van zijde als een luxegoed, en de daarmee samenhangende economische aspecten, hebben de voorkeur gegeven aan nylon voor gebruik in veiligheidsuitrusting boven zijde, ondanks het feit dat zijde hypothetisch beter is volgens vele metingen.

Zijde, of het nu van een spin of een insect komt, is een zeer sterk materiaal, hoewel dit vaak wordt verward met taaiheid. Uw typische web-bouwende spinrag is eigenlijk ongeveer net zo sterk als een typische nylon draad, hoewel de taaiheid meer dan twee keer zo hoog is. Commerciële voorbereiding kan dit drastisch veranderen om een aantal redenen, en dezelfde vezel op een andere schaal kan andere eigenschappen hebben als gevolg van een hele reeks factoren.

De grootste stap in het maken van kunstmatige spinnenzijde gebeurde deze week. Een groep wetenschappers identificeerde verschillende delen van zijdeproteïnen die beter oplosbaar waren onder de omstandigheden die zij gebruikten om de zijde te maken, en smolten deze samen. Het resultaat was een massaproduceerbare spinnenzijde die half zo taai en 1/4de zo sterk is als de zijde die spinnen spinnen spinnen.

Dus we komen er… maar we hebben nog een lange weg te gaan.

Works Cited