Onderzoek naar nanofibrillen meet met succes de sterkte van ‘supervezels’ van spinnenweb

Hoe klein is “klein?” Nanofibrillen van spinnenzijde zijn slechts een paar moleculaire lagen dik, wat overeenkomt met ongeveer een tienduizendste van de diameter van een mensenhaar. Ze zijn onzichtbaar voor het blote oog en niet zichtbaar onder een gewone microscoop.

Aan het College of William & Mary heeft toegepaste wetenschapspromovendus Jake Silliman onlangs de sterkte en rekbaarheid van deze minuscule nanofibrillen gemeten, een prestatie die zijn adviseur, langdurig onderzoeker van spinnenzijde VMEC professor Hannes Schniepp, eerder als vrijwel onmogelijk had beschouwd.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

“Andere mensen hebben het geprobeerd”, zei Schniepp. “De meesten gaven het op, maar Jake niet, en het is hem gelukt. Als je een beetje begrijpt wat er nodig is om te doen wat hij deed, is het echt indrukwekkend. Het is eigenlijk best gek om te denken dat het überhaupt mogelijk is.”

Innovatief onderzoek als dit benadrukt de belofte van W&M’s nieuwe School of Computing, Data Sciences & Physics. Bovendien dient het onderzoekspartnerschap tussen Silliman en Schniepp als een voorbeeld van de inspanningen van de universiteit om het meest persoonlijke onderwijs te bieden van alle openbare universiteiten in de Verenigde Staten.

“Het is een van mijn grotere missies geweest om nieuwe materialen en nieuwe technologieën te bedenken die zijn geïnspireerd door de natuur”, zegt Schniepp, die al bijna vijftien jaar spinnenzijde bestudeert. “Wij mensen denken dat we zo geweldig zijn en dat we dingen kunnen verzinnen, maar als je even een stap naar buiten zet, vind je zoveel dingen die spannender zijn.”

In gewicht is spinnenzijde ongeveer vijf keer sterker dan staal, maar Schniepp wijst erop dat wat het materiaal nog indrukwekkender maakt, de rekbaarheid is. De combinatie van sterkte en rekbaarheid zorgt ervoor dat het grote hoeveelheden energie kan absorberen. Als mensen een manier vinden om de structuur van spinnenzijde te repliceren, zou het kunnen worden vervaardigd voor gebruik in praktische toepassingen.

“Je zou er een super bungeekoord van kunnen maken”, zei Schniepp. “Of een schild rond een structuur waar iets met hoge snelheid binnenkomt en veel energie moet absorberen. Dat soort dingen.”

Spinnenwebstrengen lijken misschien eenvoudig voor de toevallige toeschouwer, maar bij nadere inspectie blijkt dat het complexe structuren zijn van met elkaar verweven componenten. Schniepp legde uit dat er ongeveer 50.000 verschillende soorten spinnen zijn, en elk produceert zijn eigen unieke zijde. Voor dit experiment werd de zijde van de zuidelijke huisspin gebruikt vanwege het nanofibrillengaas dat in de structuur ervan werd aangetroffen.

Het spinapparaat van de zuidelijke huisspin bestaat uit honderden spuitmonden die met behulp van de achterpoten van de spin een ingewikkelde, driedimensionale streng construeren. De kern van de streng bestaat uit twee afzonderlijke kettingdraden die spiraalvormige lussen vormen rond een centrale funderingsvezel. De kleinste vezels, nanofibrillen, worden tegelijkertijd gesponnen tot een gaas dat de ondersteunende structuren omringt.

Terwijl de webben van sommige spinnen prooien vangen door middel van lijmdruppels die regelmatig langs de strengen zijn verdeeld, verstrikken cribellate strengen zoals die gesponnen door de zuidelijke huisspin de prooi in het gaas door middel van verstrengeling, van der Waals-krachten en capillaire adhesie.

Om de sterkte en rekbaarheid van nanofibrillen in het gaas van de zijde van de zuidelijke huisspin te vinden en te meten, gebruikte Silliman atomic force microscopy (AFM), een krachtige techniek die kan worden gebruikt om de fysieke eigenschappen van extreem kleine objecten te bestuderen.

Silliman exfolieerde nanofibrillen van de zijde op een siliciumschijf ter grootte van een duimtop met ongeveer twee miljoen gaten, elk met een diameter van 200 nanometer. Vervolgens onderzocht hij of er vezels over de gaten waren gespannen en mat hun sterkte en rekbaarheid.

“Eigenlijk gebruik je een naald die super, superklein is – slechts een paar nanometer breed aan het uiteinde van de naald – en je tikt ermee over je monster, ” zei hij. “Dat bouwt pixel voor pixel een topografische kaart op die je een beeld geeft.”

Schniepp legde uit dat de punt van de naald zo scherp is dat hij aan het uiteinde maar een paar atomen dik is.

“Je zou het einde ervan niet zien in de beste optische microscoop,” zei hij. “Het zal gewoon verdwijnen omdat het zo klein is dat je het niet eens kunt zien. Het is waarschijnlijk een van de hoogst ontwikkelde technologieën op aarde.”

De technologie is zo gevoelig dat het kelderlaboratorium bovenop een betonnen plaat is gebouwd, ondersteund door stalen veren en dat het microscoopplatform tijdens metingen aan bungee-koorden hangt. Deze structurele aanpassingen helpen de microscoop te isoleren van trillingen.

Omdat de AFM-naald zo klein is, verloopt het proces langzaam. Binnen een uur, zei Silliman, zou hij misschien wel dertig tot veertig van de minuscule gaatjes kunnen scannen.

“Je moet gewoon keer op keer scans blijven maken en hopen dat je een nanofibril vindt die zo over een gat is geplaatst dat je die test daadwerkelijk kunt doen”, zei hij. “Na genoeg herhalingen daarvan kregen we eindelijk de kans om kleine mechanische tests uit te voeren met diezelfde naald. Je duwt op de vezel en dan kun je de sterkte van die vezel berekenen op basis van die metingen en andere materiaaleigenschappen.”

Silliman en Schniepp ontdekten dat de nanofibrillen elf keer hun oorspronkelijke lengte konden uitrekken, meer dan twee keer zoveel als eerder geteste spinnenzijde.

“Hoe geweldig spinnenzijde als geheel ook is,” zei Schniepp, “als je naar deze kleine fibrillen kijkt, zijn ze zelfs nog rekbaarder. Het leren kennen van deze structuren zou kunnen leiden tot de productie van een materiaal dat veel energie kan absorberen, alleen maar omdat het zo is. , zo extreem rekbaar. We willen dieper en dieper ingaan op het uitzoeken wat spinnenzijde zo speciaal maakt, en ik denk dat er nog meer verrassingen op ons wachten.”