科學家研究蜘蛛絲的現象與發展

[kahn]

蜘蛛絲是現今天然或合成的原料裡最值得注意的！它的張力可與鋼纜比擬，而延展性更是勝過1000％。這樣高張力和高彈力的組合使它在可應用範圍裡（從人工義肢到防彈衣）的吸引力非常驚人。有關它如何達到這令人激賞的特性還有許多未知的部分。在下個月的期刊裡，Nathan Becker 和他的同事將描述運用原子力顯微鏡在巨觀和微觀的層級探測它的彈力數值。雖然已經發現許多不同種類的蜘蛛絲，但目前研究人員主要的焦點只放在比鋼纜數倍強壯的和用來建造蜘蛛網的球狀蜘蛛絲。換句話說，雖然捕捉用的絲不如牽引的絲一樣強壯，但是卻有好幾倍的彈力來黏著出一個網子。捕捉絲是由互相連結的蛋白質聚合物串連而成，聚合的方式是當放鬆時為緊密螺旋狀，當伸展時則為長鍊狀。雖然這些蛋白質鏈的氨酸排序在幾年前已被發現，但由於它們沒有晶格結構，無法產生X-ray繞射，所以它們確實的物理結構仍未全然確定。為了探討捕捉用絲彈力性質的分子原因，Becker et al.運用原子力顯微鏡作為分子間力量的探針，不同於一般原子力顯微鏡，它進行量測的是關於從表面拉開分子的力量，而非一般推分子到表面的力量。這個設備能讓作者得到當捕捉用絲被伸展後分子力量的變化。當伸展蜘蛛絲時，作者觀測到由分子產生的張力有數個突然不連續的步驟改變，且是距離的函數，他們相信這是由於一些分子間的鍵結破裂而產生的。然而，當放鬆回未伸展前的狀態時，他們發現這些鍵結重新形成，來重新得到分子間原有的彈性和阻止力量的下降。更不可思議的是，他們發現不論是微觀的（分子間）或巨觀的（整個蜘蛛絲）觀測，蜘蛛捕捉用絲的彈力對伸展的距離呈三個數量級的指數方式增加。這相對於一般彈簧的彈力對伸展距離呈線性增加是有所不同。作者用一模型來解釋這個行為，考慮這些分子間的互相並聯和串聯來構成這個網狀。因此，在較小的形變時，彈性是由這些彈簧裡較長串聯的鍊結來決定；當伸展程度較大，即將其超過彈性限度時，這個行為將被變硬的網狀裡並聯的彈簧控制。作者希望藉由更深入的研究，這些模型可以測試和精鍊出較好的結果。科學家已開始由基因方式修改母牛和蒼鼠的表皮細胞來製造少量的合成蜘蛛絲，並希望可以藉由山羊的乳線製造出較大量的蜘蛛絲來。作者也希望藉由開發技術來嘗試並製造在分子層級上這些原料的模型，有效完成其性質和最後商業化的生產。