蜘蛛絲的秘密：比鋼鐵更強韌，比凱夫拉更堅固

蜘蛛不僅僅是在織網，它們更像是在進行一場精密的工程。當蜘蛛吐絲時，它們會用後腿拉動絲線，這種拉伸動作不僅釋放絲線，更在分子層面上強化纖維，使蛋白質排列整齊並形成額外的鍵結，從而提升耐用性。如今，科學家透過計算模擬和實驗室研究，終於揭開了這一秘密，為生物工程絲線的應用鋪平了道路，從醫用縫合線到超強防彈衣，這些應用將帶來革命性的改變。

美國西北大學的一項新研究揭示了拉伸在蜘蛛絲強度中的關鍵作用。研究人員利用電腦模擬發現，當蜘蛛絲被拉伸時，其蛋白質鏈會排列整齊，並在分子之間形成更多的鍵結。這些變化使纖維變得更加強韌。為了驗證這些發現，研究團隊在實驗室中使用人工合成的蜘蛛絲進行了實驗。這些成果將有助於科學家開發出各種先進的仿生材料，從可生物降解的手術縫合線到超堅固的防彈衣。

西北大學的研究資深作者Sinan Keten表示，科學家早已知道拉伸是製造超強纖維的必要步驟，但沒有人真正瞭解其中的原因。透過計算方法，我們能夠探測奈米尺度下的變化，獲得實驗無法觀察到的見解。我們可以研究拉伸如何影響絲線的機械特性。

研究的第一作者Jacob Graham解釋道，蜘蛛在吐絲時，會用後腿抓住纖維並拉出，這種拉伸動作使纖維在形成過程中變得非常強韌且富有彈性。研究發現，只需調整拉伸的程度，就能改變纖維的機械特性。

蜘蛛絲因其卓越的特性長期以來備受關注。它比鋼鐵更強韌，比凱夫拉更堅固，並像橡膠一樣具有彈性。然而，養殖蜘蛛以獲取天然絲線成本高昂且耗能巨大，因此科學家更傾向於在實驗室中重現類似的材料。Graham指出，蜘蛛絲是最強韌的有機纖維，並且具有可生物降解的優勢，這使其成為醫療應用的理想材料，例如手術縫合線和傷口閉合膠。

華盛頓大學的Fuzhong Zhang教授多年來一直在研究如何利用微生物生產蜘蛛絲材料。透過人工拉伸合成的蜘蛛絲蛋白，研究團隊成功開發出類似於金絲蜘蛛（一種擁有超強網的蜘蛛）的纖維。然而，儘管已經掌握了蜘蛛絲的製作方法，科學家仍不完全瞭解吐絲過程如何改變纖維的結構和強度。

為瞭解決這一問題，Keten和Graham開發了一個計算模型，模擬Zhang人工絲線中的分子動力學。透過這些模擬，西北大學的研究團隊探索了拉伸如何影響纖維內蛋白質的排列，特別是蛋白質之間的連線以及分子在纖維中的運動。他們發現，拉伸使蛋白質排列整齊，從而提升了纖維的整體強度，同時增加了氫鍵的數量，這些氫鍵就像橋樑一樣連線蛋白質鏈，進一步增強了纖維的韌性和彈性。

Graham表示，纖維在剛被擠出時機械特性相當脆弱，但當其被拉伸至初始長度的六倍時，就會變得非常強韌。為了驗證計算結果，研究團隊使用光譜技術檢查了華盛頓大學團隊提供的真實纖維中蛋白質鏈的拉伸和排列情況，並進行了拉伸測試以觀察纖維在斷裂前能承受多大的拉力。實驗結果與模擬預測一致。

Graham提到，如果沒有拉伸，蛋白質會呈現球狀，但拉伸會將這些球狀結構轉變為相互連線的網路。蛋白質鏈會堆疊在一起，網路變得越來越緊密。這種結構使纖維在斷裂前能夠承受更大的拉力。

儘管Graham過去認為蜘蛛只是令人毛骨悚然的小生物，但他現在看到了它們在解決實際問題中的潛力。他指出，人工合成的蜘蛛絲提供了一種比石油基塑膠更強韌且可生物降解的替代材料。他坦言，自己對蜘蛛的看法已經完全改變，從過去的厭惡轉變為現在的著迷。

這項研究發表於《科學進展》期刊，並獲得了美國國家科學基金會的支援。