ASU-Forscher ergründen die Geheimnisse von Spinnenseide

Weibliche Spinne der Art Nephila clavipes in ihrem Netz. Die mechanischen Eigenschaften des Netzes wurden mit Hilfe der Brillouin-Streuung bestimmt. (Photo by Jeffery Yarger)
Weibliche Spinne der Art Nephila clavipes in ihrem Netz. Die mechanischen Eigenschaften des Netzes wurden mit Hilfe der Brillouin-Streuung bestimmt. (Photo by Jeffery Yarger)

Wissenschaftler der Arizona State University (ASU) feiern ihren kürzlichen Erfolg auf dem Weg zum Verständnis dessen, was die von Spinnen gesponnenen Fäden – gewichtsbezogen – mindestens fünfmal stärker als Stahldraht macht. Sie haben eine Möglichkeit gefunden, um eine breite Vielfalt der elastischen Eigenschaften der Seide von verschiedenen intakten Spinnennetzen zu erhalten, indem sie eine fortgeschrittene aber nicht invasive Laserlicht-Streuungstechnik verwendeten.

“Spinnenseide besitzt eine einzigartige Kombination aus mechanischer Stärke und Elastizität, die sie zu einem der widerstandsfähigsten Materialien macht, die wir kennen”, sagte Professor Jeffery Yarger vom Department of Chemistry and Biochemistry der ASU und leitender Forscher der Studie. “Diese Arbeit repräsentiert das umfassendste Wissen, das wir von den zugrunde liegenden, mechanischen Eigenschaften von Spinnenseide haben.”

Spinnenseide ist ein außergewöhnliches, biologisches Polymer und mit Kollagen (einem Bestandteil von Haut und Knochen) verwandt, aber viel komplexer in seiner Struktur. Das ASU-Team aus Chemikern untersucht seine Molekularstruktur in dem Bestreben, Materialien von kugelsicheren Westen bis hin zu künstlichen Sehnen zu produzieren.

Das von dem ASU-Team gewonnene breite Spektrum an elastischen und mechanischen Eigenschaften ist das erste seiner Art und wird zukünftige Modellierungsversuche erleichtern, welche darauf abzielen, das Zusammenspiel der mechanischen Eigenschaften mit der molekularen Struktur der Seide bei der Produktion von Spinnennetzen zu verstehen. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 27. Januar 2013 in der Online-Ausgabe von Nature Materials. Die Abhandlung trägt den Titel “Non-invasive determination of the complete elastic moduli of spider silks”.

“Diese Informationen sollten dabei helfen, eine Blaupause für die Bautechnik auf einem reichhaltigen Gebiet bio-inspirierter Materialien zu liefern, beispielsweise präzise Werkstofftechnik von synthetischen Fasern, um stärkere, dehnungsfähigere und elastischere Materialien zu erschaffen”, erklärte Yarger.

Andere Mitglieder in Yargers Team am College of Liberal Arts and Sciences der ASU sind Kristie Koski (zu der Zeit eine Postdoktorandin und momentan Mitarbeiterin an der Stanford University) und die ASU-Studenten Paul Akhenblit und Keri McKiernan.

Die Brillouin-Lichtstreuungstechnik verwendete einen extrem energiearmen Laser mit weniger als 3,5 Milliwatt, was deutlich weniger als die Energie eines durchschnittlichen Laserpointers ist. Die Aufzeichnung dessen, was mit diesem Laserstrahl geschah, als er die intakten Spinnennetze passierte, versetzte die Forscher in die Lage, die elastische Steifigkeit jedes Netzes räumlich zu kartieren, ohne es zu deformieren oder zu zerstören. Diese nicht invasive, kontaktlose Messung brachte Erkenntnisse über die Variationen bei einzelnen Fäden, Kreuzungen und Leimtröpfchen.

Es wurden die Netze von vier verschiedenen Spinnen untersucht: Nephila clavipes (Bild), Argiope aurantia (“Vergoldetes Silbergesicht” – kommt in den Vereinigten Staaten vor), Latrodectus hesperus (die westliche “Schwarze Witwe”) und Peucetia viridans (die grüne Luchsspinne). Letztere ist die einzige Spinne der Studie, die kein Netz für den Beutefang baut, deren Seide aber wichtige elastische Eigenschaften aufweist, die mit denen der anderen untersuchten Spinnen vergleichbar sind.

Die Gruppe untersuchte auch einen der am meisten studierten Aspekte der Seide von Abseilfäden – die Superkontraktion -, eine Eigenschaft, die nur Seide besitzt. Spinnenseide nimmt Wasser auf, wenn sie hoher Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Absorbiertes Wasser führt in einem freien, ungebundenen Faden aus der Seide von Nephila clavipes zu einer Schrumpfung von 50 Prozent bei 100 Prozent Luftfeuchtigkeit.

Ihre Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass die Superkontraktion den Spinnen hilft, die Eigenschaften der Seide während des Spinnens maßzuschneidern. Diese Verhaltensweise – das spezifische Justieren von mechanischen Eigenschaften nur durch die Anpassung des Wassergehaltes – ist aus der Perspektive einer bio-inspirierten mechanischen Struktur inspirierend.

“Diese Studie ist dahingehend einzigartig, weil wir all die elastischen Eigenschaften von Spinnenseide untersuchen können, die mit konventionellen Methoden nicht gemessen werden können”, schlussfolgerte Yarger.

Quelle: https://asunews.asu.edu/node/26549

(THK)

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