거미줄은 매우 연약한데도 왜 강철보다 더 강한가요?

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거미줄은 오랫동안 가장 내구성이 뛰어난 천연 소재로 알려져 왔습니다. 갈색 레클루사 거미처럼 강철보다 다섯 배나 강한 거미줄을 생산하는 종도 있습니다. 하지만 겉보기에 연약해 보이는 거미줄이 왜 그렇게 내구성이 뛰어난지 의문이 생깁니다. 이 질문 역시 과학자들을 당혹스럽게 해 온 문제이며, 최근에야 그 답을 찾았습니다.

거미줄은 강철 철사보다 훨씬 더 튼튼합니다. — 거미줄은 강철 철사보다 더 강하고 매우 튼튼합니다.

거미줄은 독특한 구조를 가지고 있습니다.

거미줄은 거미가 만들어내고 엮는 단백질 섬유입니다. 거미는 이 섬유를 이용해 먹이를 잡거나 알과 새끼 거미를 보호하기 위한 거미줄을 만듭니다. 이 섬유의 튼튼한 구조 덕분에 거미는 자기보다 몇 배나 큰 먹이를 잡을 수 있습니다.

최근 미국 윌리엄 앤 메리 대학 연구진은 갈색 은둔거미가 알을 보호하고 먹이를 잡기 위해 만드는 실크 섬유의 미세 구조를 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 관찰했습니다. 그 결과, 사람 머리카락보다 얇은 거미줄 한 가닥이 실제로는 직경 20nm, 길이 약 1μm의 수천 개의 나노섬유로 구성되어 있다는 사실을 발견했습니다.

이 나노 섬유는 길지 않아 보이지만, 원래 크기의 50배 이상 늘어날 수 있습니다. 이러한 구조 덕분에 거미줄은 매우 튼튼하고 강하며, 같은 크기의 강철 막대보다 최대 5배 더 높은 강도와 내구성을 자랑합니다.

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

갈색 은둔거미의 실크는 다른 대부분의 거미처럼 원통형이 아니라, 나노섬유가 편평하게 배열되어 있기 때문입니다. 이 덕분에 과학자들은 원자간력 현미경(AFM)을 사용하여 갈색 은둔거미를 더 쉽게 관찰할 수 있습니다.

이는 갈색 은둔거미가 특수한 루프 기법을 사용하여 거미줄을 강화하는 방법을 보여주는 2017년 연구팀의 연구와 일치합니다. 마치 작은 재봉틀처럼 갈색 은둔거미는 거미줄 1mm당 약 20개의 나노실을 엮어 실이 끊어지지 않도록 강화합니다.

거미줄 한 가닥이 전체 구조를 유지하기 위해 "희생"됩니다.

분자역학 전문가들은 유럽 정원거미 아라네우스 디아데마투스(Araneus diadematus)와 거미줄을 엮는 거미 네필라 클라비페스(Nephila clavipes)를 포함한 다양한 거미 종의 거미줄을 조사했습니다. 그들은 분자 수준에서 실크를 연구함으로써 거미줄의 강도를 설명할 수 있음을 발견했습니다.

뷰엘러 박사는 전체 구조를 유지하기 위해 개별 실크 섬유가 "희생"될 수 있다고 설명합니다. "실크 섬유를 잡아당기면 힘이 증가함에 따라 분자 구조가 늘어나 섬유가 늘어납니다."라고 그는 말합니다.

이러한 변화는 네 단계로 진행됩니다. 첫째, 필라멘트 전체가 늘어납니다. 둘째, 단백질이 "펼쳐지는" 이완 단계입니다. 셋째, 필라멘트는 가장 큰 힘을 흡수하는 강직 단계를 거칩니다. 필라멘트가 끊어지기 전 마지막 단계는 뷜러에 의해 테이프를 뜯어내는 것에 비유됩니다. 또한 단백질은 끈적끈적한 수소 결합으로 연결되어 있기 때문에 필라멘트를 끊어내는 데는 큰 힘이 필요합니다.

"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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