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거미줄은 어떤 이유로 높은 강도를 낼 수 있나요?
거미줄은 매우 가늘어 보이는데도 같은 무게의 강철보다 높은 인장강도를 가진다는 이야기를 들었습니다. 거미줄의 단백질 구조가 이런 강도를 만드는 것인지, 실제 공학용 고강도 소재를 만드는 데 거미줄의 원리를 활용할 수 있는지도 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
거미줄이 강한건 단백질 구조 때문인데, 거미줄 단백질은 단단하게 정렬된 부분과 잘 늘어나는 부분이 함께 섞여 있어요. 단단한 부분은 큰 힘을 버티고, 유연한 부분은 충격을 받았을 때 늘어나면서 에너지를 흡수해 쉽게 끊어지지 않게 해요.
다만 강철보다 강하다는 표현은 주의가 필요한데, 거미줄은 종류에 따라 성능이 다르지만, 특히 무게 대비 강도와 질김이 뛰어나다는 점이 중요한 특징이에요.
실제 공학에서는 거미줄 단백질을 인공적으로 생산해 의료용 실, 섬유, 경량 복합재료 등에 활용하려는 연구가 진행 되고 있어요. 문제는 천연 거미줄처럼 정교한 구조를 대량으로 뽑아내는 제조 기술이 아직 어렵죠 ㅠ_ㅠ
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채택된 답변안녕하세요. 박재화 박사입니다.
거미줄이 강한 이유는 단순하게 단백질이 단단해서가 아니고, 단단한 부분과 잘 늘어나는 부분이 미세한 구조안에 함께 존재하기 때문입니다.
거미줄 단백질에는 규칙적으로 정렬된 결정 영역이 있어 잡아당기는 힘을 버티고 ,그 사이의 비교적 유연한 영역은 충격을 받을 때 늘어나면서 에너지를 흡수하게 됩니다. 그래서 매우 가벼우면서도 인장강도가 높고 쉽게 끊어지지 않는 우수한 인성을 동시에 가질 수 있는 것입니다.
말씀하신 것처럼 흔히 강철보다 강하다고 표현은 하는데, 절대적인 인장강도가 항상 강철보다 높은 것은 아닙니다. 무게 대비 강도와 질긴 성질이 특히 뛰어나다고 보는 것이 아무래도 정확합니다. 이런 구조를 참고해서 인공 거미실이나 고강도 섬유 등으로 개발하려는 연구도 계속되고 있습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
거미줄 특히 거미실크는 단백질 분자안에 B 시트 결정 영역과 유연한 단백질 영역이 반복되는 구조를 가지며 이들이 서로 결합하면서 높은 인장강도와 뛰어난 탄성을 동시에 만들어냅니다 다만 같은 무게의 강철보다 강하다는 표현은 비강도를 비교한 것으로 절대적인 인장강도 자체는 일반적으로 강철이 더 높습니다 이러한 구조를 모방해 인공 거미실크 단밸질을 미생물이나 유전자변형 생물에서 생산하는 연구가 진행되고 있으며 방탄섬유 의료용 봉합사 고강도 복합재 등의 소재로 활용하려는 시도가 있습니다 다만 자연 거미처럼 균일한 품질로 대량 생산하면서 강도와 탄성을 동시에 재현하는 것은 아직 기술적 과제로 남아 있습니다
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
거미줄이 강력한 이유는 거미의 3억 오천만년전 발생하여 오랜시간 동안 거미줄을 발전시켜 왔습니다.
거미줄의 재료는 아시다시피 단백질인데 스피드로인 이란 단백질로 단단한 영역과 부드러운 영익이 결정 / 비결정 형태로 교대로 반복되는 구조를 가지고 있습니다.
단단한 결정형 부분은 수수결합을 촘촘하게 형성하여 강철보다도 강한 인장강도를 지니고 부드러운 비결정형 부분은 스프링 형태를 가지고 있어 쉽게 구부러지지만 쉽게 끊어지지 않아 높은 수준의 신장력을 만들어 냅니다.
이러한 거미줄의 메커니즘을 모방한 신소재 개발 및 연구가 진행되고 있습니다.
거미의 실크 단백질을 유전자 재조합하여 인공 실크를 만들기 위해 노력하고 있으며 현재 사용되는 방탄복이나 낙하산 줄 등은 무게를 줄이면서도 충격이 흡수되어야 하는데 해당분야에 적용하려고 노력하고 있습니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)