거미줄은 매우 연약한데도 왜 강철보다 더 강한가요?

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거미줄은 오랫동안 가장 놀라울 정도로 내구성이 뛰어난 천연 소재로 알려져 왔습니다. 강철보다 5배나 강한 실크를 생산하는 거미 종도 있는데, 갈색거미인 로크소스셀레스 레클루사(Loxosceles reclusa)가 그 예입니다. 하지만 우리는 거미줄이 겉보기에 매우 연약해 보이는데 왜 그렇게 강한 강도를 가지고 있는지도 궁금해할 필요가 있습니다. 이 질문은 과학자들도 고민하는 문제인데, 최근에 과학자들은 답을 찾았습니다.

거미줄은 독특한 구조를 가지고 있습니다

거미줄은 거미가 생산하여 뽑아내는 단백질 섬유입니다. 그들은 실크를 이용해 거미줄을 만들어 먹이를 잡거나 알과 새끼 거미를 보호합니다. 이 실크실의 튼튼한 구조 덕분에 거미는 자신보다 몇 배나 큰 먹이를 잡을 수 있습니다.

최근, 미국 윌리엄 앤 메리 대학 응용과학부 연구진은 원자간력현미경을 사용하여 갈색 은둔거미가 알을 보호하고 먹이를 잡기 위해 만드는 실크 섬유의 미세구조를 관찰했습니다. 그들은 인간의 머리카락보다 얇은 거미줄 한 가닥이 실제로는 직경이 20nm, 길이가 약 1μm인 수천 개의 나노섬유로 구성되어 있다는 것을 발견했습니다.

나노섬유는 길지 않은 것처럼 들리지만, 원래 크기의 50배 이상 늘어날 수 있습니다. 거미줄은 이런 구조로 인해 매우 튼튼하고 강하며, 같은 크기의 강철 막대보다 강도와 내구성이 최대 5배나 더 뛰어납니다.

이전에 전 세계 과학자들은 거미줄이 나노섬유로 만들어졌다고 주장했지만, 이 발견이 과학 저널 ACS Macro Letters(미국)에 발표되기 전까지는 확실한 증거가 없었습니다.

그 이유는 갈색 은둔거미의 실크가 다른 대부분의 거미처럼 원통형 패턴이 아닌 평평한 패턴으로 배열된 나노섬유로 이루어져 있기 때문입니다. 이로 인해 과학자들은 원자간력현미경을 사용하여 더 쉽게 관찰할 수 있게 되었습니다.

이번 결과는 갈색 은둔거미가 특수한 루핑 기술을 사용하여 실크실을 강화하는 방법을 보여준, 연구팀이 2017년에 수행한 연구에 추가되었습니다. 작은 재봉틀과 비슷한 갈색 은둔거미는 1밀리미터의 실크에 약 20개의 나노실을 엮어 실을 강화하고 끊어지는 것을 방지합니다.

거미줄 실은 전체 구조를 유지하기 위해 "희생"됩니다.

몇몇 분자역학 전문가들은 유럽 정원거미인 Araneus diadematus와 거미줄을 짜는 거미인 Nephila clavipes를 포함한 다양한 거미 종의 거미줄을 조사했습니다. 그들은 분자 수준에서 실크를 연구함으로써 거미줄의 강도를 설명할 수 있다는 것을 발견했습니다.

뷰엘러 박사는 전체적인 구조를 유지하기 위해 개별 가닥을 "희생"할 수 있다고 설명합니다. 그는 "실크실을 잡아당기면 힘이 커짐에 따라 분자 구조가 늘어나 실이 늘어난다"고 말했다.

이러한 변화는 4단계로 진행됩니다. 첫 번째 단계에서는 실크 실 전체가 늘어납니다. 그 다음에는 단백질이 '펼쳐지는' 이완 단계가 이어집니다. 세 번째 단계에서는 실크가 가장 큰 충격력을 흡수하는 딱딱한 단계를 거칩니다. 실크 필라멘트가 끊어지기 전 마지막 단계는 마치 테이프를 찢는 것과 같다고 부엘러는 비유했는데, 단백질이 끈적끈적한 수소 결합으로 연결되어 있기 때문에 필라멘트를 끊으려면 역시 큰 힘이 필요하다.

"거미줄의 강도는 실크실의 강도뿐만 아니라, 잡아당겼을 때 기계적 특성이 어떻게 변하는가에 따라서도 결정됩니다." 라고 뷰엘러 박사는 말했습니다.

Tuyet Anh (출처: Synthesis)

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