เหตุใดไหมแมงมุมจึงแข็งแกร่งกว่าเหล็ก ทั้งๆ ที่มันเปราะบางมาก?

ไหมแมงมุมได้รับการยอมรับมานานแล้วว่าเป็นวัสดุธรรมชาติที่มีความทนทานอย่างเหลือเชื่อที่สุด ยังมีแมงมุมบางสายพันธุ์ที่ผลิตไหมที่แข็งแกร่งกว่าเหล็กถึง 5 เท่า เช่น แมงมุมสีน้ำตาล Loxosceles reclusa แต่เราก็สงสัยเช่นกันว่าทำไมใยแมงมุมถึงดูเปราะบางแต่กลับแข็งแรงมาก นี่เป็นคำถามที่ทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ปวดหัว และเมื่อไม่นานนี้พวกเขาก็พบคำตอบแล้ว

ไหมแมงมุมมีความแข็งแรงมาก แม้กระทั่งแข็งแรงกว่าลวดเหล็กก็ตาม

ใยแมงมุมมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์

ไหมแมงมุมคือเส้นใยโปรตีนที่แมงมุมผลิตและปั่นเป็นเส้นใย พวกมันใช้ไหมในการสร้างใยเพื่อจับเหยื่อหรือเพื่อปกป้องไข่และลูกแมงมุมของมัน โครงสร้างที่แข็งแรงของเส้นไหมเหล่านี้ทำให้แมงมุมสามารถจับเหยื่อที่มีขนาดใหญ่กว่ามันหลายเท่าได้

เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยจากคณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์ วิทยาลัยวิลเลียมแอนด์แมรี่ (สหรัฐอเมริกา) ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเพื่อสังเกตโครงสร้างจุลภาคของเส้นใยไหมที่แมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลสร้างขึ้นเพื่อปกป้องไข่และจับเหยื่อ พวกเขาค้นพบว่าเส้นไหมของแมงมุมแต่ละเส้น ซึ่งบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ ประกอบขึ้นจากเส้นใยนาโนที่แตกต่างกันหลายพันเส้น มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 20 นาโนเมตร และยาวประมาณ 1 ไมโครเมตร

นาโนไฟเบอร์เหล่านี้อาจจะดูไม่ยาว แต่สามารถยืดได้มากกว่าขนาดเดิมถึง 50 เท่า โครงสร้างนี้เองที่ทำให้ไหมแมงมุมมีความแข็งแรงทนทานเป็นอย่างมาก โดยมีจุดแข็งและความทนทานมากกว่าเหล็กเส้นที่มีขนาดเท่ากันถึง 5 เท่า

ไหมแมงมุมสามารถยืดได้ถึง 50 เท่าของขนาดเดิม

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกอ้างว่าไหมแมงมุมทำมาจากเส้นใยนาโน แต่ไม่มีหลักฐานที่แน่ชัด จนกระทั่งการค้นพบนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ ACS Macro Letters (สหรัฐอเมริกา)

สาเหตุก็เพราะว่าใยของแมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลประกอบด้วยเส้นใยนาโนที่เรียงตัวเป็นรูปแบบแบน แทนที่จะเป็นรูปแบบทรงกระบอกเหมือนแมงมุมชนิดอื่นๆ ส่วนใหญ่ สิ่งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สังเกตสิ่งเหล่านี้ได้ง่ายขึ้นโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม

ผลลัพธ์นี้เป็นส่วนเสริมให้กับการวิจัยที่ทีมได้ดำเนินการในปี 2560 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลเสริมเส้นไหมให้แข็งแรงขึ้นโดยใช้เทคนิคการทำห่วงแบบพิเศษ แมงมุมแม่ม่ายสีน้ำตาลมีลักษณะคล้ายเครื่องเย็บผ้าขนาดเล็ก โดยทอเส้นด้ายประมาณ 20 นาโนเมตรต่อไหม 1 มิลลิเมตรที่ปั่น เพื่อทำให้เส้นด้ายแข็งแรงขึ้นและป้องกันไม่ให้ขาด

เส้นไหมแมงมุมถูก "เสียสละ" เพื่อรักษาโครงสร้างโดยรวมไว้

ผู้เชี่ยวชาญด้านกลศาสตร์โมเลกุลหลายคนได้ตรวจสอบใยของแมงมุมสายพันธุ์ต่างๆ รวมถึงแมงมุมสวนยุโรป Araneus diadematus และแมงมุมทอใย Nephila clavipes เมื่อศึกษาไหมในระดับโมเลกุล พวกเขาพบว่าสามารถอธิบายความแข็งแกร่งของใยแมงมุมได้

ดร. บิวเลอร์อธิบายว่าเส้นผมแต่ละเส้นสามารถ "เสียสละ" เพื่อรักษาโครงสร้างโดยรวมไว้ได้ “เมื่อเส้นไหมถูกดึง โครงสร้างโมเลกุลของเส้นไหมจะยืดออกเมื่อแรงเพิ่มขึ้น ทำให้เส้นไหมยืดออก” เขากล่าว

ไหมแมงมุมจะขาดก็ต่อเมื่อต้องการรักษาโครงสร้างโดยรวมเอาไว้เท่านั้น

การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นใน 4 ขั้นตอน ในระยะแรกเส้นไหมทั้งหมดจะถูกยืดออก ตามด้วยระยะผ่อนคลายเมื่อโปรตีน “คลี่ตัว” ในระยะที่สาม ไหมจะเข้าสู่ระยะแข็งซึ่งจะดูดซับแรงกระแทกได้มากที่สุด ขั้นตอนสุดท้ายก่อนที่เส้นใยไหมจะขาดนั้น Buehler เปรียบเทียบว่าเหมือนกับการฉีกเทปออก ซึ่งต้องใช้แรงมากในการขาดเส้นใย เนื่องจากโปรตีนยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจนที่เหนียว

“ความแข็งแกร่งของใยแมงมุมไม่ได้เกิดจากความแข็งแรงของเส้นไหมเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังเกิดจากคุณสมบัติทางกลที่เปลี่ยนไปเมื่อถูกดึงอีกด้วย” ดร. บิวเลอร์ กล่าว

เตี๊ยต อันห์ (ที่มา: การสังเคราะห์)

มีประโยชน์
อารมณ์
ความคิดสร้างสรรค์
มีเอกลักษณ์
ความโกรธ