Warum ist Spinnenseide trotz ihrer Zerbrechlichkeit stärker als Stahl?

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Spinnenseide gilt seit langem als unglaublich haltbares Naturmaterial. Es gibt sogar Spinnenarten, deren Seide fünfmal stärker ist als Stahl, wie zum Beispiel die Braune Einsiedlerspinne. Man fragt sich jedoch, warum Spinnenseide so zerbrechlich aussieht, aber so unglaublich haltbar ist. Auch diese Frage beschäftigt Wissenschaftler seit langem, und erst kürzlich wurde eine Antwort gefunden.

Spinnenseide ist sehr stark, sogar stärker als Stahldraht.

Spinnenseide hat eine einzigartige Struktur

Spinnenseide ist eine Proteinfaser, die Spinnen produzieren und spinnen. Sie nutzen sie zum Bau von Netzen, um Beute zu fangen oder ihre Eier und Babys zu schützen. Die starke Struktur dieser Seidenfasern ermöglicht es Spinnen, Beutetiere zu fangen, die um ein Vielfaches größer sind als sie selbst.

Kürzlich untersuchten Forscher der School of Applied Science des College of William and Mary mithilfe der Rasterkraftmikroskopie die mikroskopische Struktur der Seidenfasern, die Braune Einsiedlerspinnen zum Schutz ihrer Eier und zum Beutefang herstellen. Sie entdeckten, dass jeder Spinnenseidenstrang, dünner als ein menschliches Haar, tatsächlich aus Tausenden verschiedener Nanofasern besteht, die nur 20 nm im Durchmesser und etwa 1 μm lang sind.

Diese Nanofasern mögen nicht lang erscheinen, können sich aber auf mehr als das 50-fache ihrer ursprünglichen Größe dehnen. Diese Struktur macht Spinnenseide sehr zäh und stark, mit einer Festigkeit und Haltbarkeit, die bis zu fünfmal höher ist als die eines Stahlstabs gleicher Größe.

Spinnenseide kann sich auf das 50-fache ihrer ursprünglichen Größe dehnen.

Zuvor hatten Wissenschaftler auf der ganzen Welt behauptet, Spinnenseide bestehe aus Nanofasern, doch bis zur Veröffentlichung dieser Entdeckung in der wissenschaftlichen Zeitschrift ACS Macro Letters (USA) gab es dafür keine stichhaltigen Beweise.

Das liegt daran, dass die Seide der Braunen Einsiedlerspinne aus Nanofasern besteht, die in flachen Schichten angeordnet sind und nicht wie bei den meisten anderen Spinnen in Zylindern. Dies erleichtert es Wissenschaftlern, sie mithilfe der Rasterkraftmikroskopie zu beobachten.

Dieser Befund ergänzt die Forschung des Teams aus dem Jahr 2017 und zeigt, wie Braune Einsiedlerspinnen ihre Seide mithilfe einer speziellen Schlingentechnik verstärken. Wie eine winzige Nähmaschine weben Braune Einsiedlerspinnen pro Millimeter Seide, die sie spinnen, etwa 20 Nanofasern und verstärken so die Seide, sodass sie nicht reißt.

Um die Gesamtstruktur zu erhalten, wird ein Spinnenseidenfaden „geopfert“.

Experten für Molekularmechanik haben die Netze verschiedener Spinnenarten untersucht, darunter die der Gartenspinne Araneus diadematus und der Netzspinnen Nephila clavipes. Durch die Untersuchung der Seide auf molekularer Ebene konnten sie die Festigkeit von Spinnennetzen erklären.

Dr. Buehler erklärt, dass einzelne Seidenfasern „geopfert“ werden können, um die Gesamtstruktur zu erhalten. „Wenn an einer Seidenfaser gezogen wird, dehnt sich ihre Molekularstruktur mit zunehmender Kraft, wodurch die Faser gedehnt wird“, sagt er.

Spinnenseide reißt nur, wenn sie ihre Gesamtstruktur beibehalten möchte.

Diese Veränderung erfolgt in vier Phasen: In der ersten Phase wird das gesamte Filament gedehnt; anschließend folgt eine Entspannungsphase, in der sich die Proteine „entfalten“. In der dritten Phase durchläuft das Filament eine steife Phase, in der die größte Kraft absorbiert wird. Die letzte Phase vor dem Reißen des Filaments vergleicht Buehler mit dem Abreißen eines Klebebandes; auch hier ist eine große Kraft erforderlich, um das Filament zu brechen, da die Proteine durch klebrige Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden.

„Die Stärke eines Spinnennetzes hängt nicht nur von der Stärke des Seidenfadens ab, sondern auch davon, wie sich seine mechanischen Eigenschaften beim Ziehen verändern“, sagte Dr. Buehler.

Tuyet Anh (Quelle: Synthesis)

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