Written by Joe Ballenger

Hi, estou numa equipa da Liga Lego com a minha escola e queremos saber mais sobre aranhas para o nosso projecto de pesquisa. Algumas perguntas que eu espero que você possa nos ajudar são, o que faz uma teia de aranhas tão forte e pegajosa? Será ainda mais forte se fosse maior para segurar uma pessoa?

Obrigado de toda a minha equipa!!

Seda de aranha é realmente forte. Um único fio de seda de aranha pode capturar e deter instantaneamente um insecto voador dezenas de milhares de vezes o seu peso, sem se partir. Os cientistas estão interessados em aproveitar esta propriedade para o uso diário, coletes à prova de balas e outras roupas de proteção. Há muito interesse em como fazer isso, do ponto de vista químico.

Então é uma pergunta muito legal, e a Liga Lego está certamente interessada nisso do ponto de vista da química estrutural. No entanto, há também um componente cultural para esta questão em particular que eu acho que é pura.

Eu ando um pouco por aí (trocadilho) nas cordas, e recentemente entrei para um ginásio que ensina um tipo de arte da performance chamada seda aérea. É um tipo de performance art onde um dançarino se move suspendendo-se, envolvendo-se num tecido forte.

Quando comecei a fazer pesquisa sobre este tópico, perguntei sobre o tecido usado neste tipo de performance. Fiquei chocado ao descobrir que o tecido que essas pessoas estão usando era nylon, e não seda.

Então o que é seda, porque é super forte, e porque não fazemos equipamentos de escalada com ela?

A primeira coisa que devemos salientar é que a seda aranha não é o material mais forte conhecido pelo homem. A fibra de carbono pode suportar quatro vezes a carga de seda de aranha, mas não é assim tão elástica. Assim que a fibra de carbono se estica, mesmo uma pequena quantidade, ela se estala. Por essa razão, é um bom substituto para coisas que normalmente seriam feitas de metal…mas não é um bom substituto para fibras usadas em roupas. O aço tem a mesma coisa acontecendo…sua resistência à tração é igual à da aranha de seda, mas é muito mais pesado e não tão flexível.

As propriedades que gostamos na seda de aranha não é a sua força mas sim a sua tenacidade. Embora possamos associar força e dureza em coisas como traços de caráter, eles são muito diferentes aos olhos dos cientistas materiais. Enquanto a força é quanto peso você pode pendurar em um cabo, a dureza é o quanto você pode atingir algo sem quebrá-lo.

Isso nos leva à seda de aranha, que mais uma vez, é um tópico meio complicado porque. Existem cerca de 7 tipos diferentes de aranhas de seda que podem girar, embora muitas não tenham este arsenal à sua disposição. Estes 7 tipos são utilizados para diversos fins, têm propriedades completamente diferentes e composições químicas diferentes.

Sticky, Stretchy e Strong

Uma teia de aranha é composta principalmente por três tipos de seda: Flageliforme, agregado, e dragline. A seda com dragline é a seda mais resistente, e é o que os cientistas tentam emular quando tentam fazer roupas com o material.

O que torna a seda de aranha tão pegajosa?

Seda flageliforme é o que captura a presa. É capaz de esticar e deformar, esticando quase 30x o seu comprimento, sem se partir. O seu objectivo é deter a velocidade do insecto, com o poder de paragem real proporcionado pela seda da linha de arrastamento a que está ligada. No entanto, a seda flageliforme não se agarra ao inseto. Esse trabalho é feito pela seda agregada.

Seda agregada é semelhante à seda em composição, exceto que tem açúcares colados à superfície. Estes açúcares são cobertos por grupos OH, que são atraídos por grupos de átomos que têm muitos elétrons. Estas atrações individuais são fracas, mas quando há muitas delas, elas se tornam muito fortes.

Este truque é um truque que se repete em todo o reino animal. Ovas de peixe, por exemplo, usam glicoproteínas para se colar às coisas. A uréia, segregada na urina, também é eficiente na ligação de hidrogênio. Não só é usada como cola para colar contraplacado, como também as larvas de mosca-vermelha usam-na para tornar a sua seda pegajosa.

A força de uma teia de aranha como um todo deve-se à sua capacidade de se colar aos itens de presa, bem como à sua capacidade de os abrandar sem se partir.

Por que é que a seda é tão forte?

A seda de linha de aranha é a mais fácil de colher das aranhas, e é também a mais resistente. Por ser tão fácil de colher, é a seda que mais conhecemos.

Seda é um prião gigante, um tipo de cristal de proteína. Dentro da spinerette, é composto por pedaços de seda que estão suspensos em um meio líquido. Como é extrudido, as moléculas se ligam e criam um fio gigante que sai do rabo da aranha.

Como elas se ligam é uma questão de debate, e eu não vou entrar nisso aqui. No entanto, graças à cristalografia de raios X, sabemos como são as moléculas e será muito mais simples começar pela molécula e trabalhar para cima.

De moléculas a teias de aranha

Desde que esta pergunta veio de uma equipa que joga com legos competitivamente, vamos dar uma olhada em como estas moléculas estão ligadas entre si. As estruturas importantes na molécula são partes rígidas da proteína chamadas beta-folhas, que se reforçam através de ligações de hidrogénio:

Aqui está uma ‘fotografia’ de cristalografia de raios X de uma molécula de seda individual:

Os segmentos amarelos são folhas beta, e mantêm a proteína unida. O material no final é constituído principalmente por outro tipo de estrutura, chamado alfahelices. As folhas beta mantêm a molécula unida, enquanto as folhas alfa permitem que a molécula se estique um pouco. A seda de aranha é um monte dessas moléculas presas umas às outras, e a forma como estão presas umas às outras reforça-se mutuamente, maximizando essas ligações de hidrogénio.

Aqui está como essas moléculas estão presas umas às outras:

Com a estrutura da seda de aranha, essas moléculas individuais ligam-se umas às outras para formar cristais dentro do fio. Esses cristais são soltos, mantidos juntos por cordas mais flexíveis. A ligação de hidrogênio dentro das folhas beta cria uma estrutura forte, que é reforçada em vários níveis. As estruturas proteicas flexíveis permitem que a aranha seda seja flexível e elástica.

Esta coleção solta de cristais e estruturas proteicas forma uma corda….e a aranha gira múltiplas cordas. Estas cordas são mantidas juntas com um par de camadas de proteína, e isto proporciona outra camada de reforço:

Se aumentadas, poderíamos usar seda para segurar as pessoas?

Esta pergunta é difícil de responder, porque ainda não podemos fazer grandes cordas de seda de aranha. Para ser fiado com a força ideal, as condições químicas de qualquer seda produzida fora do corpo do animal têm de ser perfeitas. Ainda não estamos em produção em grande escala, embora possamos estar nos aproximando.

Independentemente disso, ajuda ter uma comparação de algum tipo. As cordas de escalada são feitas de nylon elástico, e um cordão a aranha mais forte de que há registo é 18 vezes mais forte em proporção. A seda do bicho-da-seda, que é produzida em quantidade maciça, é cerca de 6 vezes mais forte em proporção. Há milhares de anos que produzimos seda em massa, por isso este é um modelo bastante bom.

Deve ser mencionado que as informações acima estão comparando os fios fiados individualmente com uma corda de escalada preparada comercialmente. Métodos de preparação, humidade, a forma como o tecido é tecido, e até mesmo coisas como corantes podem afectar a resistência de produtos preparados comercialmente. Enquanto um fio individual de seda, seja aranha ou lagarta, é tão forte quanto um fio individual de nylon usado em corda de escalada…Não estou particularmente satisfeito com esta comparação.

Sinto que a única maneira de responder adequadamente a esta pergunta é olhando para produtos comercialmente preparados para segurar pessoas. Aqui é onde a seda aérea volta em.

Esta é uma dança executada em tecido de nylon, o que significa que eu posso comparar a força de ruptura deste tecido com tecido de seda preparado comercialmente. O tecido de seda aérea (mais uma vez, feito de nylon) pode suportar um pouco mais de 1100 kg. O Surah, por outro lado, tem uma resistência à ruptura de 30 kg. Isto está bem abaixo de qualquer coisa com que eu me suportaria. Cordas ou sedas aéreas precisam ser capazes de segurar pelo menos 10 vezes o seu peso para serem usadas com segurança.

Há aplicações de seda que têm sido usadas para segurar pessoas, mas a escassez e acordos comerciais após a Segunda Guerra Mundial mudaram a seda de um tecido usado para fazer este tipo de equipamento de protecção para vestuário. A forma como a seda é preparada pode mudar drasticamente a sua força, por isso as coisas feitas de seda podem não ser mais fortes do que as feitas de nylon, embora os fios individuais possam ser mais fortes.

O resultado final

O campo da biomimética fez grandes progressos na reprodução da seda de aranha nos últimos anos, mas as grandes diferenças na bioquímica entre a spinerette de aranha e os sistemas de produção in-vitro tornaram isto difícil. A reputação da seda como um bem de luxo, e a economia associada, favoreceram o nylon para uso em equipamentos de segurança em vez da seda, apesar do fato de que a seda é hipoteticamente melhor por muitas medidas.

Seda, seja de uma aranha ou de um inseto, é um material muito forte, embora isso seja muitas vezes confundido com dureza. Seu típico dragline de aranha é na verdade tão forte quanto um típico fio de nylon, embora sua tenacidade seja mais de duas vezes maior. A preparação comercial pode mudar drasticamente isto por uma série de razões, e a mesma fibra em uma escala diferente pode ter propriedades diferentes devido a toda uma série de fatores.

O maior avanço na fabricação de seda artificial da aranha aconteceu esta semana. Um grupo de cientistas identificou diferentes seções de proteínas de seda que tinham melhor solubilidade sob as condições que estavam usando para fazer a seda, e as fundiu juntas. O resultado foi uma aranha de seda de produção em massa que é metade resistente e 1/4 tão forte como a seda que as aranhas giram.

Então estamos chegando lá…mas temos um longo caminho a percorrer.

Works Cited