Las arañas de caza escalan fácilmente superficies verticales o se mueven boca abajo en el techo. Mil pelos diminutos en las puntas de sus piernas se aseguran de que no se caigan. Como el exoesqueleto de la araña, Estos pelos en forma de cerdas (los llamados pelos) consisten principalmente en proteínas y quitina, que es un polisacárido. Para obtener más información sobre su fina estructura, Un equipo de investigación interdisciplinario de los departamentos de Biología y Física de la Universidad de Kiel y Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) examinó la estructura molecular de estos pelos con más detalle en la fuente de luz de rayos X de DESY, PETRA III, y en la Instalación de Radiación Sincrotrón Europea ESRF. Gracias a la luz de rayos X de alta energía, Los investigadores descubrieron que las moléculas de quitina de las setas están dispuestas específicamente para resistir las tensiones de la unión y el desprendimiento constantes. Sus hallazgos podrían ser la base para futuros materiales altamente resistentes. Se han publicado en el número actual de la Revista de la interfaz de la Royal Society .

Las diminutas placas de contacto en las patas de la araña, que tienen solo unos pocos cientos de nanómetros de tamaño, están sujetos a grandes fuerzas cuando la araña corre o trepa. Sin embargo, estas estructuras adhesivas soportan fácilmente la fuerte tensión. "En comparación, los materiales producidos artificialmente tienden a romperse con más frecuencia, ", dice Stanislav N. Gorb del Instituto Zoológico de la Universidad de Kiel." Por eso queremos averiguar qué hace que las patas de las arañas sean tan estables para resistir fuertes fuerzas de arrastre ". Junto con los miembros de su grupo de trabajo" Morfología funcional y biomecánica " , el zoólogo investiga los mecanismos de adhesión biológica y cómo se pueden transferir en materiales y superficies artificiales.

Gorb y su colega, el zoólogo y biomecánico Clemens Schaber, asumió que el secreto detrás de la estabilidad de los pelos adhesivos de araña radica en la estructura molecular de su material. Dadas las pequeñas dimensiones de los pelos en el rango micrométrico inferior, sin embargo, es imposible investigar su arquitectura de material molecular utilizando métodos convencionales.

Para verificar su hipótesis, los científicos de Kiel colaboraron con Martin Müller del Instituto de Física Experimental y Aplicada, Jefe de la división de Física de Materiales del HZG. Junto a su equipo y la investigadora doctoral Silja Flenner, los científicos investigaron los pelos adhesivos de la especie de araña Cupiennius salei utilizando métodos de difracción de rayos X resueltos espacialmente en ESRF en Grenoble, Francia, y en el PETRA III de DESY en Hamburgo.

Estos anillos de almacenamiento se encuentran entre las mejores y más potentes fuentes de rayos X del mundo. Y aquí es donde el equipo de investigación golpeó el material de la araña con rayos X. La forma exacta en que el material dispersa esta radiación proporciona información sobre la precisión nanométrica sobre la composición del material. "Este método reveló que las moléculas de quitina en los pelos adhesivos de araña tienen una disposición muy específica en las puntas de los pelos. El material de las puntas fortalece los pelos adhesivos en la dirección de la fuerza de extracción debido a la presencia de fibras de quitina, "Müller dijo, resumiendo sus hallazgos.

"Otro dato notable es que las fibras de quitina en otras partes de las patas de la araña corren en diferentes direcciones. Esta estructura, que es similar a la madera contrachapada, hace que el tallo del cabello sea estable en diferentes direcciones de flexión, "explica Schaber, autor principal del estudio. La alineación paralela de las moléculas de fibra en los pelos adhesivos, por otra parte, sigue las fuerzas de tracción y presión que actúan sobre ellos. Esta estructura permite que los pelos absorban las tensiones que se producen cuando las patas de araña se adhieren y desprenden.

Se pueden encontrar pelos adhesivos similares, por ejemplo, en las patas de los geckos. Por lo tanto, el equipo de investigación plantea la hipótesis de que este podría ser un principio biológico clave que permite que los animales se adhieran a diferentes superficies. Por lo tanto, sus hallazgos podrían tener implicaciones innovadoras para el desarrollo de nuevos materiales con alta resiliencia. Sin embargo, simular artificialmente arreglos moleculares biomiméticos inteligentes, como las de las fibras de quitina a nanoescala, sigue siendo un desafío.

"La naturaleza utiliza diferentes métodos:los materiales biológicos y su estructura crecen simultáneamente, mientras que los pasos involucrados en la producción artificial son secuenciales, ", dijo Gorb. Las nuevas tecnologías de producción de aditivos, como la impresión 3D a nanoescala, algún día pueden contribuir al desarrollo de materiales completamente nuevos que se inspiraron en la naturaleza.