クモの糸は非常に脆いにもかかわらず、なぜ鋼鉄よりも強いのでしょうか?

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クモの糸は、天然素材の中で最も耐久性に優れた素材として古くから知られています。中には、鋼鉄の5倍もの強度を持つ糸を生産するクモもいます。しかし、一見すると脆そうなクモの糸が、なぜこれほどまでに耐久性に優れているのか、疑問に思う人もいるでしょう。これは科学者たちを悩ませてきた疑問であり、最近になってようやくその答えが明らかになりました。

クモの糸は独特な構造をしています。

クモ糸は、クモが作り出すタンパク質繊維です。クモは糸を使って網を作り、獲物を捕らえたり、卵や幼虫を守ったりします。この糸の強固な構造により、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）の研究者たちは、原子間力顕微鏡を用いて、ドクイトグモが卵を守り獲物を捕らえるために作り出す糸の微細構造を観察しました。その結果、人間の髪の毛よりも細いクモの糸1本1本が、実際には直径わずか20ナノメートル、長さ約1マイクロメートルの数千もの異なるナノファイバーで構成されていることが明らかになりました。

これらのナノファイバーは一見長くないように見えますが、元の長さの50倍以上に伸びます。この構造により、クモの糸は非常に強靭で丈夫になり、同じサイズの鉄棒の最大5倍の強度と耐久性を誇ります。

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。

これは、ドクイトクイの糸が、他の多くのクモのように円筒形ではなく、平らに配列したナノファイバーでできているためです。これにより、科学者は原子間力顕微鏡を用いて観察しやすくなります。

これは、チームが2017年に行った研究に追加されたもので、ドクイトグモが特殊なループ技術を用いて糸を強化する方法を実証しています。ドクイトグモは小さなミシンのように、1ミリメートルの糸を紡ぐごとに約20本のナノ糸を織り込み、糸が切れないように強化します。

全体の構造を維持するために、クモの糸の一本が「犠牲」になります。

分子力学の専門家たちは、ヨーロッパクモAraneus diadematusや網を張るジョロウグモJophila clavipesなど、様々なクモ種の巣を研究してきました。糸を分子レベルで研究することで、クモの巣の強度を説明できることを発見しました。

ビューラー博士は、個々のシルク繊維が全体の構造を維持するために「犠牲にされる」ことがあると説明します。 「シルク繊維が引っ張られると、力が増すにつれて分子構造が伸び、繊維自体が伸びるのです」と彼は言います。

この変化は4段階で起こります。まず、フィラメント全体が引き伸ばされます。次に、タンパク質が「展開」する緩和段階が続きます。最後に、フィラメントは最大の力を吸収する硬直段階に入ります。フィラメントが破断する前の最終段階を、ビューラーはテープを剥がす動作に例えています。タンパク質は粘着性のある水素結合によって結合しているため、フィラメントを破断するには大きな力が必要です。

「クモの巣の強さは、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のように変化するかによっても決まります」とビューラー博士は述べています。

トゥエット・アン（出典：Synthesis）

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