Die Entwicklung synthetischer Fasern ist bislang immer ein Kompromiss: Entweder sind sie reißfest oder elastisch – beides gleichzeitig zu erreichen, gilt als Herausforderung. Forschende der Arbeitsgruppe um Dr. Jonas Wolff an der Universität Greifswald wollen dieses Dilemma im Rahmen des EU-geförderten Projekts SuPerSilk überwinden. Dafür haben sie sich ein Vorbild aus der Natur gesucht: die Spinne.
Besonders faszinierend ist in diesem Zusammenhang die Kescherspinne (Deinopidae), die in tropischen und subtropischen Regionen lebt. „Sie verlässt sich nicht auf eine passive Falle, sondern hält zwischen ihren vorderen Beinen ein klebriges Netz bereit, das sie blitzschnell auf ihre Beute wirft – für die Fäden ein elastischer Kraftakt, der uns neugierig machte, wie dieses Material aufgebaut ist“, erklärt Dr. Martín Ramírez, Mitautor der Studie vom Naturkundemuseum Buenos Aires.
Materialeigenschaften: Die richtige „Masche“ entscheidet
Mithilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und hochauflösender Elektronenmikroskopie analysierte das Forschungsteam sowohl die Dynamik des Netzwurfs als auch die Struktur der Fäden. Dabei entdeckten sie ein bislang unbekanntes Strukturprinzip: Der Fangfaden der Kescherspinne besitzt im Inneren eine elastische Proteinstruktur, die die Spinne durch Bewegung der sogenannten Spinnwarzen – kleine Ausstülpungen am Hinterleib – in eine schleifenartige und gekräuselte Mikrostruktur überführen kann. Dadurch verändern sich sowohl die Metastruktur des Fadens als auch seine Materialeigenschaften.
Besonders deutlich wird das im Vergleich mit anderen Fäden, beispielsweise den tragenden, äußeren Fäden des Netzrahmens, in welchem die Spinne auf ihre Beute lauert. Während diese eine lineare Struktur und damit starre, stabile Eigenschaften aufweisen, sind die Fangfäden hingegen mit einer gekräuselten, gewundenen Struktur versehen und dadurch sehr dehnbar.
„Um den schnellen Netzwurf zu ermöglichen, ist der Fangfaden zunächst weich und formbar“, führt Dr. Jonas Wolff vom Zoologischen Institut der Universität Greifswald aus. „Sobald er jedoch gedehnt wird, werden diese mikrostrukturellen Schlaufen gestreckt und machen das Material widerstandsfähig – es wird gleichzeitig elastisch und reißfest.“ Materialtests bestätigen diese Beobachtung: Die gekräuselten Fangfäden hielten Dehnungen von bis zu 150 Prozent stand, während die linearen, äußeren Netzfäden bereits bei rund 20 Prozent rissen.
Inspiration für die Industrie
Für die Materialwissenschaft eröffnet die Entdeckung dieser speziellen Fadenstruktur spannende Perspektiven. Inspiriert von der Spinnenstrategie könnten künftig synthetische Hochleistungsfasern entstehen, die zugleich flexibel und strapazierfähig sind – ohne den bisherigen Kompromiss zwischen Stabilität und Elastizität.
Universität Greifswald
Originalpublikation:
Wolff, J. O.; Rößler, D.; Joel, A.-C.; Jackel, V.; Büsse, S.; Michalik, P.; Ramírez, M. J.: Behavioral tuning of spider silk thread stiffness circumvents biomaterial trade-offs. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). https://doi.org/10.1073/pnas.2529200123
