02/02/2012 - Die Stärke der Spinnengewebe hängt von ihrer Gestaltung neben dem Material ab

Menéame

Obwohl die Forscher schon seit langem von der unglaublichen Stärke des Spinnenstoffs erfahren haben, kann die Robustheit der kleinen Fasern allein nicht erklären, wie es Regentropfen und Winde über die Hurrikankategorie hinaus überlebt. Nun hat eine Studie, die experimentelle Beobachtungen von Spinnengeweben mit komplexen Computersimulationen kombiniert, gezeigt, dass die Haltbarkeit des Gewebes nicht nur von der Seidenkraft abhängt, sondern auch davon, wie sein Design den Schaden ausgleicht.

In der Studie, die in der Zeitschrift "Nature" veröffentlicht wurde, zeigen die Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den Vereinigten Staaten und der Polytechnical di Torino in Italien, wie das Design des Spinnwebens mit Spannung und Schaden zu tun hat.

"Viele Forschungsgruppen haben die komplexe hierarchische Struktur der Seide aus Spinnengewebe und ihre unglaubliche Stärke, Erweiterbarkeit und Ausdauer untersucht," erklärt Markus Buehler, Professor für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik am MIT, "aber obwohl wir das besondere Verhalten von Seide auf Nanoskala verstehen, haben wir wenig Informationen darüber, wie die molekulare Struktur der Seide die Leistung des Gewebes verbessert."

Die Spinnenstoffe in Gärten und Garagen sind aus mehreren Arten von Seide, aber die Seidengarne und Schleppseide sind die wichtigsten für die Integrität des Gewebes. Die viskose Seide ist elastisch, feucht und klebrig, und sie wächst aus der Mitte des Netzes in Spirale, ihre Hauptaufgabe ist es, die Beute zu fangen. Auf der anderen Seite ist die gezogene Seide hart und trocken und dient dazu, die ausstrahlenden Fäden aus der Mitte des Netzes zu sichern, indem sie die strukturelle Unterstützung bietet, ist diese Seide entscheidend für das mechanische Verhalten des Webs.

Einige der früheren Arbeiten Buehler haben gezeigt, dass die Zugseide besteht aus einer Reihe von Proteinen mit einer einzigartigen molekularen Struktur, die ihm Kraft und Flexibilität verleiht. "Obwohl die Seidenhärte und -festigkeit bereits früher gemessen wurde - sie ist stärker als Stahl und widerstandsfähiger als Kevlar - sind die Vorteile der Seide in einem Netz, über diese Maßnahmen hinaus, nicht bekannt," fügt Buehler hinzu.

Die in der Forschung untersuchten gemeinsamen Spinnen webten Netze nach spiralförmigen Mustern über das Gerüst von Filamenten; der Bau jedes Netzes erfordert eine Energie, die sich die Spinne nicht oft ausgeben kann, so dass ihre Haltbarkeit für das Überleben des Arachnids von entscheidender Bedeutung ist. Durch eine Reihe von Computermodellen, die mit Laborversuchen und Spinnengeweben kombiniert werden konnten, konnten die Forscher die Faktoren trennen, die dem Netzwerk helfen, lokalisierte natürliche Bedrohungen (wie ein Zweig, der auf einen Leuchtkörper fällt) oder verteilt (wie starke Winde) zu ertragen.

"Für unsere Modelle verwenden wir einen molekularen Dynamikrahmen, in dem wir das molekulare Verhalten von Seidenfäden auf makroskopischer Ebene erhöhen; so konnten wir nicht nur die unterschiedlichen Lastfälle im Netzwerk untersuchen, sondern auch die Art und Weise, wie das Netz unter extremen Lastbedingungen gebrochen wird, lokalisieren und visualisieren," erklärt Anna Tarakanova, die gemeinsam mit Steven Cranford, den beiden Doktoranden im Labor von Buehler, Computermodelle entwickelte.

"Durch die Computermodellierung" fügt Cranford hinzu: "Wir konnten synthetische Spinnengewebe, die aus virtuellen Seiden bestehen, die wie lineare elastische Materialien (wie Keramik) und elastische Kunststoffe (wie viele Metalle) hergestellt wurden, effektiv herstellen. Mit diesen Modellen konnten wir Vergleiche zwischen der Leistung des Modells-Netzwerks und der Leistung in den natürlichen Seidennetzen herstellen. Darüber hinaus konnten wir das Gewebe in Bezug auf Energie analysieren und die Details der Spannung untersuchen."

Die Studie zeigte, dass, wie zu erwarten war, wenn irgendein Teil eines Netzes gestört wird, das gesamte Netz reagiert - diese Sensibilität warnt die Spinne davor, dass ein Insekt gefangen wurde. Radial- und Spiralfasern spielen jedoch unterschiedliche Rollen bei der Bewegungsdämpfung, und wenn die Spannungen besonders hart sind, werden sie getötet, damit das gesamte Netz überleben kann.

"Das Konzept des selektiven und lokalisierten Versagens von Spinnengeweben ist interessant, da es sich um einen anderen Ausgangspunkt als die strukturellen Prinzipien handelt, die in vielen biologischen Materialien und ihren Bestandteilen ins Spiel zu kommen scheinen," fügt Dennis Carter hinzu, der die Studie finanziert hat. Insbesondere wenn ein radialer Filament in einem Netz angebunden wird, wird das Web mehr verformt als wenn es einem relativ flexibleren Spiral-Filament passiert.

Nach den Schlussfolgerungen der Forscher ist das Spinnengewebe ärgerlich, wenn die Fasern durch eine externe Kraft gestört werden, aber dann wird das Netz wieder stabil - selbst bei Simulationen mit großen Kräften wie z. B. Wirbelwinden.
 

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