クモの糸は、最も耐久性に優れた天然素材として古くから知られています。茶色のクモ Loxosceles reclusa のように、鋼鉄の 5 倍の強度を持つ糸を作るクモの種も存在します。しかし、クモの糸はなぜあんなに脆そうに見えて、こんなにも強いのか、という疑問も湧いてきます。これも科学者を悩ませている疑問ですが、最近、科学者たちはその答えを見つけました。
クモの糸は非常に強く、鋼線よりも強いです。
クモの糸は独特な構造をしている
クモの糸はクモが作り出して紡ぐタンパク質繊維です。クモは獲物を捕まえたり、卵や幼虫を守ったりするために、糸を使って巣を作ります。これらの絹糸の強力な構造により、クモは自分の何倍もの大きさの獲物を捕らえることができます。
最近、ウィリアム・アンド・メアリー大学（米国）応用科学学部の研究者らは、原子間力顕微鏡を使用して、ドクイトグモが卵を守り獲物を捕らえるために作る絹繊維の微細構造を観察しました。研究者たちは、人間の髪の毛よりも細いクモの糸の一本一本が、実は直径わずか20nm、長さ約1μmの数千本の異なるナノファイバーで構成されていることを発見した。
これらのナノファイバーは長くないように思えるかもしれませんが、元のサイズの 50 倍以上に伸びることができます。この構造により、クモの糸は非常に強靭で強くなり、同じ大きさの鉄棒よりも最大 5 倍の強度と耐久性を備えています。
クモの糸は元の大きさの50倍まで伸びます。
これまで世界中の科学者がクモの糸はナノファイバーでできていると主張していたが、この発見が科学誌ACS Macro Letters（米国）に掲載されるまでは確固たる証拠はなかった。
その理由は、ドクイトグモの糸は、他のほとんどのクモのように円筒形ではなく、平らなパターンに配置されたナノファイバーで構成されているからです。これにより、科学者は原子間力顕微鏡を使用してそれらを観察しやすくなります。
この結果は、チームが2017年に実施した研究に追加されるもので、ドクイトグモが特殊なループ技術を使用して糸を強化する方法を実証しています。小さなミシンに似たドクイトグモは、糸を紡ぐ糸1ミリメートルあたり約20本のナノ糸を織り込み、糸を強化して切れないようにする。
全体の構造を維持するために、クモの糸が「犠牲」にされます。
数名の分子力学の専門家が、ヨーロッパグモAraneus diadematusや網を張るジョロウグモNephila clavipesなど、さまざまな種類のクモの巣を研究した。研究者たちは、分子レベルで絹を研究することで、クモの巣の強さを説明できることを発見した。
ビューラー博士は、全体の構造を維持するために個々の髪の毛を「犠牲にする」ことができると説明しています。 「絹糸を引っ張ると、力が増すにつれて分子構造が伸び、糸が伸びる」と彼は語った。
クモの糸は、全体の構造を維持したいときにのみ切れます。
この変化は 4 段階で起こります。第 1 段階では、絹糸全体が引き伸ばされます。その後、タンパク質が「展開」する緩和段階が続きます。第 3 段階では、シルクは最大の衝撃力を吸収する硬い段階を経ます。シルクの糸が切れる前の最終段階をビューラー氏はテープを剥がすのに例えており、タンパク質が粘着性のある水素結合で結びついているため、糸を切るにはやはり大きな力が必要だという。
「蜘蛛の巣の強さは、糸の強さだけでなく、引っ張られたときにその機械的特性がどう変化するかによっても決まります」とビューラー博士は語った。
トゥエット・アン（出典：Synthesis）
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