Written by Joe Ballenger

Bună ziua, fac parte dintr-o echipă Lego League cu școala mea și dorim să aflăm mai multe despre păianjeni pentru proiectul nostru de cercetare. Câteva întrebări la care sper că ne puteți ajuta sunt: ce face ca o pânză de păianjen să fie atât de puternică și lipicioasă? Este chiar mai puternică dacă ar fi mai mare pentru a ține o persoană?

Mulțumesc din partea întregii mele echipe!!!

Mătasea de păianjen este o chestie foarte puternică. Un singur fir de mătase de păianjen poate prinde și opri instantaneu o insectă zburătoare de zeci de mii de ori greutatea sa, fără să se rupă. Oamenii de știință sunt interesați să exploateze această proprietate pentru îmbrăcăminte de zi cu zi, veste antiglonț și alte haine de protecție. Există un mare interes pentru modul în care se poate face acest lucru, din punct de vedere chimic.

Așa că este o întrebare foarte interesantă, iar Liga Lego este cu siguranță interesată de acest lucru din perspectiva chimiei structurale. Cu toate acestea, există, de asemenea, o componentă culturală a acestei întrebări particulare pe care eu o consider interesantă.

Îmi petrec destul de mult timp (joc de cuvinte intenționat) pe frânghii și m-am alăturat recent unei săli de sport care predă un tip de artă de performanță numită mătase aeriană. Este un tip de artă de performanță în care un dansator se mișcă suspendându-se prin înfășurarea într-o țesătură rezistentă.

Când am început să fac cercetări pe acest subiect, am întrebat despre țesătura folosită în acest tip de performanță. Am fost șocat să aflu că țesătura pe care acești oameni o folosesc este nailon, și nu mătase.

Atunci ce este mătasea, de ce este super rezistentă și de ce nu facem echipamente de alpinism cu ea?

Primul lucru pe care ar trebui să-l subliniem este că mătasea de păianjen nu este cel mai rezistent material cunoscut de om. Fibra de carbon poate suporta o sarcină de patru ori mai mare decât cea a mătăsii de păianjen, dar nu este atât de elastică. De îndată ce fibra de carbon se întinde, chiar și foarte puțin, se rupe. Din acest motiv, este un bun înlocuitor pentru lucruri care în mod normal ar fi făcute din metal… dar nu este un bun înlocuitor pentru fibrele folosite la îmbrăcăminte. Oțelul are același lucru…rezistența sa la tracțiune este la fel de mare ca a mătăsii de păianjen, dar este mult mai greu și nu este nici pe departe la fel de flexibil.

Proprietățile care ne plac la mătasea de păianjen nu sunt rezistența, ci tenacitatea. Deși putem asocia puterea și duritatea în lucruri precum trăsăturile de caracter, acestea sunt foarte diferite în ochii oamenilor de știință din domeniul materialelor. În timp ce rezistența este cât de multă greutate poți atârna pe un cablu, duritatea este cât de tare poți lovi ceva fără să îl rupi.

Acest lucru ne aduce la mătasea de păianjen, care, din nou, este un subiect destul de complicat deoarece. Există aproximativ 7 tipuri diferite de mătase pe care păianjenii le pot învârti, deși mulți nu au acest arsenal la dispoziție. Aceste 7 tipuri sunt folosite pentru o varietate de scopuri, au proprietăți complet diferite și compoziții chimice diferite.

Sticky, Stretchy and Strong

O pânză de păianjen este compusă în principal din trei tipuri de mătase: Flagelliformă, agregată și draglină. Mătasea dragline este cea mai rezistentă mătase și este cea pe care oamenii de știință încearcă să o imite atunci când încearcă să confecționeze articole de îmbrăcăminte din acest material.

Ce face ca mătasea de păianjen să fie atât de lipicioasă?

Mătasea flagelliformă este cea care captează prada. Este capabilă să se întindă și să se deformeze, întinzându-se de aproape 30 de ori lungimea sa, fără să se rupă. Scopul său este de a opri viteza insectei, puterea reală de oprire fiind asigurată de mătasea draglină la care este conectată. Cu toate acestea, mătasea flagelliformă nu se agață de insectă. Această sarcină este îndeplinită de mătasea agregată.

Mătasea agregată este asemănătoare cu mătasea în compoziție, cu excepția faptului că are zaharuri lipite de suprafață. Aceste zaharuri sunt acoperite de grupe OH, care sunt atrase de grupuri de atomi care au mulți electroni. Aceste atracții individuale sunt slabe, dar atunci când sunt foarte multe, ele devin foarte puternice.

Acest truc se repetă în tot regnul animal. Ouăle de pește, de exemplu, folosesc glicoproteinele pentru a se lipi de lucruri. Ureea, secretată în urină, este, de asemenea, eficientă în ceea ce privește legăturile de hidrogen. Nu numai că este folosită ca lipici pentru a lipi placajul, dar larvele de muscă licurici o folosesc pentru a-și face mătasea lipicioasă.

Puterea unei pânze de păianjen ca întreg se datorează capacității sale de a se lipi de obiectele de pradă, precum și capacității sale de a le încetini fără a se rupe.

De ce este mătasea atât de rezistentă?

Mătasea de traistă este cea mai ușor de recoltat de la păianjeni și este, de asemenea, cea mai rezistentă. Pentru că este atât de ușor de recoltat, este mătasea despre care știm cel mai mult.

Mătasea este un prion uriaș, un tip de cristal proteic. În interiorul spinetei, aceasta este compusă din bucăți de mătase care sunt suspendate într-un mediu lichid. Pe măsură ce este extrudată, moleculele se leagă între ele și creează un fir gigantic care iese din fundul păianjenului.

Cum se leagă între ele este o chestiune de dezbatere și nu am de gând să intru aici în discuție. Cu toate acestea, datorită cristalografiei cu raze X, știm cum arată moleculele și va fi mult mai simplu să începem de la moleculă și să urcăm în sus.

De la molecule la pânze de păianjen

Din moment ce această întrebare a venit de la o echipă care se joacă cu piciorușele în mod competitiv, haideți să aruncăm o privire la modul în care aceste molecule sunt legate între ele. Structurile importante din moleculă sunt părțile rigide ale proteinei numite foițe beta, care se întăresc prin legături de hidrogen:

Iată o „fotografie” prin cristalografie cu raze X a unei molecule individuale de mătase:

Acele segmente galbene sunt foițe beta și mențin proteina laolaltă. Chestia de la capăt este alcătuită în mare parte dintr-un alt tip de structură, numită alfa-helice. Foițele beta mențin molecula laolaltă, în timp ce alfa-helicele permit moleculei să se întindă un pic. Mătasea de păianjen este o grămadă de aceste molecule lipite împreună, iar modul în care sunt lipite se întăresc reciproc prin maximizarea acestor legături de hidrogen.

Iată cum sunt lipite aceste molecule:

În structura mătăsii de păianjen, aceste molecule individuale se leagă între ele pentru a forma cristale în interiorul firului. Aceste cristale sunt slab ținute împreună de fire mai flexibile. Legătura de hidrogen din cadrul foilor beta creează o structură puternică, care este întărită la mai multe niveluri. Structurile proteice flexibile permit ca mătasea de păianjen să fie flexibilă și elastică.

Acest ansamblu liber de cristale și structuri proteice formează o frânghie… iar păianjenul învârte mai multe frânghii. Aceste frânghii sunt ținute împreună cu câteva straturi de proteine, iar acest lucru oferă un alt strat de întărire:

Dacă s-ar putea folosi mătasea la scară mai mare, am putea folosi mătasea pentru a ține oamenii?

Această întrebare este dificil de răspuns, deoarece nu putem face încă frânghii mari din mătase de păianjen. Pentru a fi filată la o rezistență optimă, condițiile chimice ale oricărei mătase produse în afara corpului animalului trebuie să fie perfecte. Nu am ajuns încă la o producție la scară largă, deși s-ar putea să ne apropiem.

Indiferent, este util să avem un fel de comparație. Corzile de cățărare sunt făcute din nailon elastic, iar un fir cea mai puternică mătase de păianjen înregistrată este de 18 ori mai puternică în proporție. Mătasea viermilor de mătase, care este produsă în masă, este de aproximativ 6 ori mai puternică în proporție. Producem mătase de omidă în masă de mii de ani, așa că acesta este un model destul de bun.

Trebuie menționat faptul că informațiile de mai sus compară firele filate individual cu o frânghie de alpinism pregătită în comerț. Metodele de preparare, umiditatea, modul în care este țesută țesătura și chiar lucruri precum coloranții pot afecta rezistența produselor pregătite în comerț. În timp ce un fir individual de mătase, fie că este de păianjen sau de omidă, este la fel de rezistent ca un fir individual de nailon folosit în frânghia de cățărare… nu sunt deosebit de mulțumit de această comparație.

Simt că singura modalitate de a răspunde în mod corespunzător la această întrebare este să analizăm produsele pregătite comercial concepute pentru a ține oamenii. Aici intervine din nou mătasea aeriană.

Acesta este un dans executat pe o țesătură de nailon, ceea ce înseamnă că pot compara rezistența la rupere a acestei țesături cu o țesătură de mătase pregătită în comerț. Țesătura de mătase aeriană (din nou, fabricată din nailon) poate susține puțin peste 1100 kg. Surah, pe de altă parte, are o rezistență la rupere de 30 kg. Aceasta este cu mult sub orice lucru cu care m-aș susține vreodată. Frânghiile sau mătăsurile aeriene trebuie să poată susține cel puțin de 10 ori greutatea ta pentru a putea fi folosite în siguranță.

Există aplicații ale mătăsii care au fost folosite pentru a susține oameni, dar penuria și acordurile comerciale de după cel de-al Doilea Război Mondial au transformat mătasea dintr-o țesătură folosită la fabricarea acestor tipuri de echipamente de protecție în îmbrăcăminte. Modul în care este preparată mătasea îi poate schimba drastic rezistența, astfel încât lucrurile fabricate din mătase pot să nu fie mai rezistente decât cele fabricate din nailon, chiar dacă firele individuale pot fi mai rezistente.

The Bottom Line

În ultimii ani, domeniul biomimeticii a făcut pași foarte mari în reproducerea mătăsii de păianjen, dar diferențele uriașe de biochimie dintre sistemele de producere a spirei de păianjen și cele de producție in-vitro au făcut acest lucru dificil. Reputația mătăsii ca bun de lux și aspectele economice asociate au favorizat utilizarea nailonului în echipamentele de siguranță în detrimentul mătăsii, în ciuda faptului că mătasea este ipotetic mai bună după multe măsurători.

Mătasea, fie că provine de la un păianjen sau de la o insectă, este un material foarte rezistent, deși acest lucru este adesea confundat cu duritatea. Drapelul tău tipic de păianjen care construiește pânze este de fapt la fel de puternic ca un fir de nailon tipic, deși duritatea sa este de peste două ori mai mare. Pregătirea comercială poate schimba drastic acest lucru dintr-o serie de motive, iar aceeași fibră la o scară diferită poate avea proprietăți diferite din cauza unei întregi serii de factori.

Cel mai mare pas înainte în realizarea mătăsii artificiale de păianjen a avut loc săptămâna aceasta. Un grup de oameni de știință a identificat diferite secțiuni ale proteinelor din mătase care aveau o solubilitate mai bună în condițiile pe care le foloseau pentru a face mătasea și le-au fuzionat împreună. Rezultatul a fost o mătase de păianjen care poate fi produsă în masă și care este la jumătate la fel de rezistentă și la 1/4 la fel de puternică precum mătasea pe care o țes păianjenii.

Am ajuns acolo… dar mai avem mult până departe.

Lucrări citate