Forskere har fundet en måde at opnå en lang række elastiske egenskaber af silken på flere intakte edderkoppers væv ved hjælp af en sofistikeret, men ikke-invasiv laserlysspredningsteknik.
Forskere ved ASU fejrer deres nylige succes på vejen til at forstå, hvad der får fiberen til at edderkopper spinder - vægt for vægt - mindst fem gange så stærk som klavertråd. De har fundet en måde at opnå en lang række elastiske egenskaber af silken på flere intakte edderkoppers væv ved hjælp af en sofistikeret, men ikke-invasiv laserlysspredningsteknik.
"Edderkoppesilke har en unik kombination af mekanisk styrke og elasticitet, der gør det til et af de hårdeste materialer, vi kender," sagde Jeffery Yarger, professor i ASU's Institut for Kemi og Biokemi og ledende forsker af undersøgelsen. ”Dette arbejde repræsenterer den mest komplette forståelse, vi har af de underliggende mekaniske egenskaber ved edderkoppesilke.”
Edderkoppesilke er en usædvanlig biologisk polymer, der er relateret til kollagen (de ting af hud og knogler), men meget mere kompleks i dens struktur. ASU-teamet med kemikere studerer dens molekylstruktur i et forsøg på at fremstille materialer lige fra skudsikre veste til kunstige sener.
Kvindelige Nephila clavipes på hendes web. Banen blev karakteriseret ved hjælp af Brillouin-spektroskopi til direkte og ikke-invasivt bestemmelse af de mekaniske egenskaber. Billedkredit: Jeffery Yarger
Det omfattende udvalg af elastiske og mekaniske egenskaber af edderkoppesilke in situ, opnået af ASU-teamet, er det første af sin art og vil i høj grad lette fremtidig modelleringsbestræbelser, der sigter mod at forstå samspillet mellem de mekaniske egenskaber og den molekylære struktur af silke, der bruges til at fremstil edderkoppespind.
Holdet offentliggjorde deres resultater i dagens avancerede onlineudgave af naturmaterialer, og deres papir er titlen "Ikke-invasiv bestemmelse af den komplette elastiske modul af edderkoppesilke."
"Denne information skal hjælpe med at give en blå strukturel konstruktion af en rigelig række bio-inspirerede materialer, såsom præcise materialeteknik af syntetiske fibre for at skabe stærkere, elastiske og mere elastiske materialer," forklarede Yarger.
Andre medlemmer af Yargers team, i ASU's College of Liberal Arts and Sciences, inkluderede Kristie Koski, dengang en postdoktorisk forsker og i øjeblikket postdoktor ved Stanford University, og ASU-studerende Paul Akhenblit og Keri McKiernan.
Brillouin-lysspredningsteknikken anvendte en ekstrem laser med lav effekt, mindre end 3,5 milliwatt, hvilket er væsentligt mindre end den gennemsnitlige laserpointer. Optagelsen af, hvad der skete med denne laserstråle, da den passerede gennem de intakte edderkoppebaner, gjorde det muligt for forskerne at rumligt placere de elastiske stivheder på hver bane uden at deformere eller forstyrre den. Denne ikke-invasive, ikke-kontaktmåling frembragte fund, der viser variationer mellem diskrete fibre, knudepunkter og limplader.
Fire forskellige typer spindelvev blev undersøgt. De inkluderede Nephila clavipes (på billedet), A. aurantia (“forgyldt sølvflade” - almindelig med de sammenhængende USA), L. Hesperus, den vestlige sorte enke og P. viridans, den grønne lynxspindel, den eneste edderkop inkluderet der gør byg ikke en bane til fangst af bytte, men har store elastiske silkeegenskaber svarende til dem fra de andre undersøgte arter.
Gruppen undersøgte også et af de mest studerede aspekter af orbevævende dragline-edderkoppesilke, nemlig superkontraktion, en egenskab, der er unik for silke. Edderkoppesilke tager vand op, når det udsættes for høj luftfugtighed. Absorberet vand fører til svind i en ubegrænset fiber op til 50 procent krympning med 100 procent fugtighed i N. clavipes silke.
Deres resultater er i overensstemmelse med hypotesen om, at superkontraktion hjælper edderkoppen med at skræddersy silkens egenskaber under spinding. Denne type adfærd, specifikt justering af mekaniske egenskaber ved blot at justere vandindhold, er inspirerende fra et bioinspireret mekanisk strukturperspektiv.
”Denne undersøgelse er unik, idet vi kan udtrække alle de elastiske egenskaber ved edderkoppesilke, der ikke kan og ikke er blevet målt med konventionel testning,” konkluderede Yarger.
Via ASU