Proprietà fisiche della tela di ragno

La fig.1 mostra i dati di trazione per MA e “viscid silk” del ragno Araneus diadematus tracciati su di un grafico sforzo-deformazione (stress-strain). Lo stress, è definito come s = F / A, dove F è la forza applicata e A è l'area della sezione trasversale della fibra di seta. Strain, è la deformazione, definita come e = ΔL/L₀, dove L₀ è la lunghezza iniziale della fibra, e ΔL è l'allungamento fibra. La pendenza della curva stress-strain dà la rigidità del materiale. L'area sotto la curva dà l'energia necessaria per rompere il materiale, e questa variabile può essere utilizzata per quantificare la
resistenza. I valori per la rigidità, la forza, l'estensibilità e la durezza di queste due sete di ragno, assieme ai valori di altri biomateriali e di alcuni materiali artificiali scelti, vengono presentati nella tabella 1.




fig.1




tabella 1


Si noti che la seta MA è più rigida rispetto agli altri biomateriali polimerici elencati, anche se alcuni biomateriali mineralizzati possono ottenere maggiore rigidità di questa seta. La forza della seta MA, tuttavia, è chiaramente superiore a quella di tutti gli altri biomateriali in questa lista, suggerendo che la forza, e in misura minore la rigidità, possono essere importanti indicatori della sua prestazione meccanica Questo elenco di biomateriali è incompleta, ma è giusto dire che la seta di ragno MA è tra i più rigidi e più forti biomateriali polimerici conosciuti. Si noti, tuttavia, che la rigidità della seta MA è nettamente inferiore a quella del Kevlar, della fibra di carbonio e dell'acciaio ad alta resistenza, materiali ingenieristici che sono comunemente impiegati per trasmettere e sostenere forze di trazione. Si noti inoltre che la forza della seta MA è di un pò minore rispetto a quella di questi materiali di ingegneria. A prima vista, si potrebbero interpretare questi dati come un'indicazione che la seta MA è superiore ad altri biomateriali, come il collagene, ma non 'buona', come il Kevlar e le fibre di carbonio. Tuttavia, questa interpretazione si basa sul presupposto che 'buona' significa rigida e forte. Guardando più avanti, nella tabella 1, vediamo che la seta di Araneus MA è abbastanza estensibile, e si rompe ad un punto di massima deformazione di circa 0,27 (pari al 27% di estensione), mentre i materiali ingenieristici non riescono a superare deformazioni dell'ordine di 0,01-0,03. La grande estensibilità della seta MA, nonostante la sua forza un po 'inferiore, la rende più resistente dei materiali di ingegneria. In effetti, con una energia di rottura (resistenza) di 160MJm-3, la seta MA è da 3 a 10 volte più resistente rispetto ai suoi materiali omologhi in ingegneria. Questo suggerisce che l'assorbimento di energia e la resistenza può essere una proprietà fondamentale che ci porterà a una comprensione del funzionamento della seta MA. La viscid silk presenta un interessante contrasto nelle sue proprietà, ed è anche un materiale di durezza eccezionale. La sua rigidezza iniziale, a 0,003 GPa, è di tre ordini di grandezza inferiore a quello della seta MA ed è comparabile con quella di una gomma leggermente reticolata. In effetti, la viscid silk è meglio pensata come un materiale gommoso. Con una tensione massima di circa 2,7, la viscid silk non è eccezionalmente elastica rispetto ad altri materiali gommosi, ma la sua forza, a circa 0,5 GPa, rende la viscid silk circa 10 volte più forte di qualunque altra gomma naturale o sintetica. In questo contesto, la viscid silk è un materiale davvero notevole, e la combinazione di elevata resistenza ed estensibilità le conferisce una tenacità virtualmente identica a quella delle fibre di seta MA.




Nella Fig. 2. si può osservare il carico funzionale di un Araneus diadematus sulla seta della ghiandola MA. (A) Quando un carico statico viene applicato ad angolo retto, l'estensione della fibra consente un ampio angolo di deflessione q, e la tela è in grado di sopportare un carico di grandi dimensioni. (B) Quando un insetto volante impatta in una ragnatela e viene fermato dalla deformazione della seta, la tela assorbe l'energia cinetica (EK = 0.5mV², dove EK è l'energia cinetica, m è la massa e V è la velocità dell'insetto). (C) La natura viscoelastica della seta MA trasforma gran parte di questa energia cinetica in calore per attrito molecolare. L'energia dissipata è
indicata dalla zona flessa della curva stress-strain ricavata dagli esperimenti del ciclo di carico. L'isteresi è il rapporto tra l'energia dissipata e l'energia assorbita. Per entrambe le tipologie di seta l'isteresi è il 65%. Ovvero il 65% dell'energia cinetica è assorbita attraverso la dissipazione del calore e non può essere utilizzata per catapultare indietro la preda. Quindi un alto livello di isteresi è dato dal bilanciamento tra forza ed estensibilità, che inoltre dona alla tela una grande resistenza e un'elevata frizione molecolare interna.
Dopo l'impatto della preda, la tela torna lentamente e gradualmente alla sua posizione iniziale. Questa è un'importante caratteristica, poiché una contrazione troppo rapida in seguito all'impatto lancerebbe via la vittima dalla ragnatela.




Qui si può denotare un'importante differenza con i vari materiali ingegneristici. Questi ultimi infatti sono stati selezionati per sostenere enormi forze, a discapito dell'elasticità. Questo è ottenuto grazie ad un struttura molecolare estremamente rigida che esclude la possibilità di movimento in larga scala delle molecole. La tela del ragno invece riesce a sostenere grandi forze pur mantenendo elasticità.



La viscoelasticità delle tele del ragno può rappresentare un importante proprietà funzionale. Analisi del tasso di deformazione-dipendenza della seta MA hanno dimostrato che rigidezza, resistenza, estensibilità (estensione al punto di rottura) e tenacità (energia al punto di rottura) aumentano tutti come la velocità di deformazione aumenta da 0,0005 s^-1 a 0,024 s^-1 (Tabella 2), suggerendo che la prestazione della seta MA può effettivamente essere migliorata con un aumento del tasso di deformazione. Al più alto tasso di deformazione (0,024 s^-1), una prova di rottura avrebbe impiegato circa 11 s. Gli eventi coinvolti nel catturare le prede o durante la caduta di un ragno contro la sua dragline certamente avvengono in un tempo molto più breve e quindi ad una velocità di deformazione molto più elevata.

Recentemente è stata sviluppata un apparecchiatura che riproduce un impatto, caricando la seta della ghiandola MA perpendicolarmente all'asse della fibra con un oggetto in caduta che viaggia a una
velocità di circa 1 m/s. Un impatto a questa velocità causa l'insuccesso dopo circa 0,02 s, con tassi di deformazione dell'ordine di 30 s^-1.


tabella 2



La rigidezza iniziale cresce, e proporzionalmente fa la forza, e in alcuni test la forza e la durezza raggiungono il livello astronomico di circa 1000 MJ/m³. Così, per riassumere, l'analisi delle proprietà meccaniche di MA e fibre di seta viscida indica che questi materiali sono stati selezionati attraverso l'evoluzione per realizzare un armonioso equilibrio di forza, estensibilità e viscoelasticità, che insieme producono materiali di incredibile resistenza.

Risposta alle variabili ambientali

Ancora una serie di proprietà resta da essere considerata, ovvero le risposte delle fibre di seta alle variabili ambientali, quali temperatura, umidità, ecc. Fino ad oggi, poco si sa circa la dipendenza di un certo range di temperature sulle proprietà meccaniche della sete, anche se la forte velocità di deformazione, suggerisce che le variazioni di temperatura altera le proprietà meccaniche.
Ambienti umidi, tuttavia, sono noti per avere un effetto significativo sulle sete MA. Infatti quando questa tipologia di tela è immersa nell'acqua, si riduce di circa il 40-50%, e le sue proprietà meccaniche cambiano notevolmente. L'iniziale rigidezza cala di tre ordini di grandezza, e il materiale diventa simile alla gomma per quanto riguarda il suo comportamento. Anche la viscid silk si contrae se immersa in acqua, sebbene l'effetto sulle sue proprietà meccaniche sia meno drastico. Questa transizione è chiamata supercontraction.



Fig.3. Modelli dell'architettura molecolare della seta della ghiandola MA del ragno Araneus diadematus. (A) Quando è immersa nell'acqua, la seta si contrae e diventa gommosa. Analisi delle proprietà meccaniche e ottiche in questo stadio, hanno permesso di capire meglio il funzionamento dei cristalli ß-sheet nella rete di polimeri della tela. (B) Modello della seta MA nativa ottenuta estendendo e “asciugando” il modello nello stato supercontratto.

La supercontraction avviene se nell'aria l'umidità raggiunge un livello di circa il 90% o più e, di conseguenza, è probabile che nelle fibre di seta di ragno potrebbero verificarsi le condizioni per supercontraction nel loro uso normale.
C'è ancora molto da imparare, ma è possibile che la supercontraction sia semplicemente una conseguenza inevitabile della struttura molecolare necessaria per creare l'equilibrio delle proprietà meccaniche precedentemente descritte. Sappiamo che la progettazione di queste sete richiede una struttura che permette notevole movimento a livello molecolare per fornire un elevato livello di robustezza e dissipazione di energia. Forse questo livello di movimento molecolare può essere raggiunto soltanto con una proteina che incorpora una grande frazione di aminoacidi polari