Spinnenzijde is sterker dan staal, taaier dan Kevlar en rekbaar als rubber. Wetenschappers ontdekten hoe dat komt.
Onderzoekers zijn al lang geïnteresseerd in spinnenzijde vanwege de opmerkelijke eigenschappen ervan. Het is de sterkste organische vezel en het is biologisch afbreekbaar, dus ideaal voor bijvoorbeeld chirurgische hechtingen omdat het op een natuurlijke, onschadelijke manier in het lichaam wordt afgebroken.
Het kweken van spinnen voor hun natuurlijke zijde is duur, energie-intensief en moeilijk. Daarom proberen wetenschappers zijdeachtige materialen na te bouwen in het lab. Ze weten al langer dat spinnen hun achterpoten gebruiken om zijdedraden uit hun zijdeklieren te trekken en dat die trekbeweging een cruciale stap is in het versterken van de zijdevezels voor een duurzamer web, maar ze begrepen niet waarom. Onderzoekers van de Northwestern University besloten het uit te zoeken.
Rekproces
Ze ontwikkelden een computermodel om de moleculaire dynamica van spinnenzijde te simuleren en na te gaan hoe het uitrekken ervan de volgorde van de eiwitten, de verbinding van eiwitten onderling en de beweging van moleculen binnen de vezels verandert. Ze ontdekten dat het rekproces de eiwitketens binnen de vezels op één lijn brengt waardoor de algehele sterkte van de vezel toeneemt. Ze ontdekten ook dat uitrekken het aantal waterstofbruggen verhoogt die als bruggen fungeren tussen de eiwitketens waaruit de vezel is opgebouwd, en dat de toename in waterstofbruggen bijdraagt aan de algehele sterkte, taaiheid en elasticiteit van de vezel. Het team valideerde die voorspellingen vervolgens met in het lab met gemanipuleerde spinzijde.
Spinnen voeren het trekproces van nature uit. Zodra ze een vezel uit hun zijdeklier hebben getrokken zijn de mechanische eigenschappen ervan vrij zwak. Maar wanneer ze de vezel uitrekken wordt hij erg sterk en elastisch. ‘Als je het materiaal niet uitrekt, heb je bolvormige eiwitbolletjes’, vertelt eerste auteur van de studie Jacob Graham. ‘Maar uitrekken verandert die bolletjes in een meer onderling verbonden netwerk. De eiwitketens stapelen zich op elkaar en het netwerk raakt steeds meer met elkaar verbonden. Gebundelde eiwitten hebben meer mogelijkheden om te ontrafelen en zich verder uit te breiden voordat de vezel breekt, uitgebreide eiwitten zorgen voor minder rekbare vezels waarvoor meer kracht nodig is om te breken.’
De onderzoekers ontdekten dat je de mechanische eigenschappen van de vezel kunt veranderen door simpelweg de hoeveelheid uitrekking aan te passen. De nieuwe inzichten kunnen hen helpen bij het ontwerpen van zijde-geïnspireerde eiwitten en spinprocessen voor verschillende toepassingen, zoals sterke, biologisch afbreekbare hechtingen en sterke, explosieveilige lichaamspantsering.
