W020180517505687875841.jpg
人造蜘蛛丝让人类变身“蜘蛛侠”?
2019-12-04 09:06:00  来源:新华日报  作者:叶 真 谢诗涵  
1
听新闻

  视觉中国供图

  蛛丝飞荡、悬挂下降……科幻电影中,“蜘蛛侠”伸手飞丝,可以在楼宇间穿梭,也可以纵身一跃后缓缓降落地面。

  不久的将来,“蜘蛛侠”的超级武器“蜘蛛丝”或许将从科幻中走入现实。近日,南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室刘遵峰教授团队使用水凝胶纤维成功制备出了新型超强韧“人造蜘蛛丝”,它强度高、回弹慢、可重复伸缩,未来或将用于高空缓降等多领域。

  “我们的‘人造蜘蛛丝’比‘蜘蛛侠’的更好用,还可以像孙悟空的金箍棒一样,伸缩自如,有着更好的弹性。”刘遵峰告诉记者。

  “生物钢”天然蜘蛛丝 早引起注意

  千年前,中国古人就开始养蚕缫丝。特别在我省的苏州地区,至今可以看到人们缫丝的场景。蚕丝是一种天然的蛋白纤维,由熟蚕结茧时所分泌丝液凝固而成,已经被广泛运用于被子、服装、化妆品、保健品等。与蚕丝一样,蜘蛛丝也是一种天然的动物蛋白纤维。但是,古人没有养蜘蛛缫丝,很大原因是因为蜘蛛捕猎的需要和同类相食的习性,且蜘蛛的产丝量比蚕低很多。

  蜘蛛丝的优良特性并没有因此被埋没。从上世纪90年代开始,蜘蛛丝逐渐成为新材料的研究热点。

  天然蜘蛛丝的主要化学成分是甘氨酸、丙氨酸及小部分的丝氨酸,加上其它氨基酸单体蛋白质分子链构成。看似又细又柔软的蜘蛛丝柔中带刚,有“生物钢”之称,具有极好的强度和弹性。

  资料显示,蜘蛛丝的强度(单位截面积下的张力)比高品质的钢还大,环绕地球一圈长度的蜘蛛丝的质量还不达500公克。将蜘蛛丝延伸至原长度的140%,仍然不会断裂,在高湿的环境下,蜘蛛丝甚至可伸长5倍,并且伸长后几乎不反弹、不旋转。在零下40摄氏度的温度,依旧可以维持高强度。被拉长的蜘蛛丝遇水还会恢复到初始长度,这使它被来袭的猎物撞击而拉长后,可以自动修复并重新使用。这一切都表明蜘蛛丝具有超强的机械性能组合。

  “‘人造蜘蛛丝’主要模仿的是蜘蛛丝的性能,制造出的与天然蜘蛛丝性能相似的人工纤维。”刘遵峰告诉记者。

  四两拨千斤 人造蜘蛛丝能伸缩自如

  目前,国内外的科研团队已经利用蛋白纤维、超分子水凝胶纤维、碳纳米管复合纤维等各种方式成功地复制或是部分复制蜘蛛丝的机械性能,但通过不基于蛋白的方法制备“人造蜘蛛丝”仍然很困难。

  在这样的情况下,刘遵峰团队另辟蹊径,使用水凝胶纤维制备“人造蜘蛛丝”。“蜘蛛丝本身就是一种天然的水凝胶纤维,这种物质很软,但其实也能拉得很长。”刘遵峰说,“原本,我们团队的课题是使用水凝胶纤维模拟肌肉组织。但是在2016年,一次偶然的机会,我们想,可以拉得很长的水凝胶纤维是否可以纺丝呢?没想到,就成功了。”

  水凝胶纤维由聚丙烯酸制成,加入硅纳米粒子后合成水凝胶纤维,将这些水凝胶纤维拉出来,形成的丝经过定型、水分蒸发之后,在纤维里加入金属离子增强其性能,再通过加捻增加其强度。最终,该纤维的拉伸强度可达895MPa、拉伸可达44.3%、模量高达28.7GPa、韧性达到370MJm^3,阻尼效率达到95%。

  “也就是说,这种人造水凝胶纤维的拉伸性能已经接近甚至超过了天然蜘蛛丝,达到与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能,并且伸缩自如,可以重复使用。”中国药科大学理学院周湘副教授如此解释,“水凝胶研究此前已经出现,但是,‘拉丝’制作成具有核-鞘结构的纤维尚属首次。”周湘此次也参与到了刘遵峰团队的课题研究中,为新型水凝胶纤维的设计及合成工作提供部分技术支持。

  两组实验数据证明了人工蜘蛛丝力学性能。

  当100根水凝胶纤维“人造蜘蛛丝”“拧成一股绳”时,就可以吊起一个20克的砝码。而一根水凝胶纤维“人造蜘蛛丝”的直径仅在10-20微米(1000微米=1毫米)之间。

  当“人造蜘蛛丝”制成网承接从1米高处坠落的鸡蛋时,鸡蛋的外壳不会破碎,说明“人造蜘蛛丝”有良好的缓冲性能,在遭遇冲击时会吸收对方的能量,并通过收缩原理保持形态完整。

  “水凝胶纤维有一个明显的特性,对水非常敏感。当湿度变大时,水凝胶纤维可以被拉伸得更长。”刘遵峰补充说明。但事物总有两面性,这一特性也给研究团队的实验时间带来了困扰。“比如,在闷热潮湿的夏天,就会对我们进行实验存在干扰。”

  应用前景广阔 技术仍需突破

  “人造蜘蛛丝”的良好表现让人们对其未来前景颇有期待。“人造蜘蛛丝”是制作缓冲绳和防护网的理想材料。当发生火灾等紧急情况时,人们可以用手抓着“人造蜘蛛丝”制成的绳子从窗户跳出来。同样的,消防人员可以利用这种救援网来拯救坠楼者,建筑工地也可以使用“人造蜘蛛丝”制成的安全网,从而保护工人高空作业不受伤害。

  “单兵作战”战斗力超群的同时,“人造蜘蛛丝”还能与其他材料混合,混合后的新材料则可以“扬长避短”,应用于更广阔领域。在刘遵峰团队之前,许多科研团队已经尝试探索“人造蜘蛛丝”的更多可能。2016年,美国洛杉矶Spidey Tek公司研究发现人造蜘蛛丝与3D打印材料的PLA、ABS、树脂、聚丙烯、聚氨酯等混合,可以提高其机械性能。为了证明这一想法,Spidey Tek公司用混合后的材料制造出了一架新型无人机,并具有质量轻、强度高、载重力大等优势,提升了其原本性能。在几个月前,芬兰阿尔托大学的一项研究发现,利用木质纤维和人造蜘蛛丝研发出新型生物基材料,其性能优于当今大多数合成和天然材料,未来可以作为塑料的代替品用于医疗、纺织等行业。由于木质纤维和人造蜘蛛丝都是可以生物降解的,其衍生品也更为环保。

  “人造蜘蛛丝可应用的范围很广,而我们现在还只挖掘了一小部分。”周湘表示。请大胆想象,未来,人们可以用人造蜘蛛丝制成衣服,使其在柔软亲肤的基础上,还可以耐穿、抗击能力强;人们使用“人造蜘蛛丝”制作成的医疗材料,可以减少人体排异反应……

  “我们的技术仍在不断改进中。”刘遵峰说,目前而言,人造蜘蛛丝的技术仍处于继续试验阶段,在制作材料层面仍有改进空间。未来如果要将这种人造蜘蛛丝推广应用,其运用到实际生产中的问题也是一大挑战。此外,与天然蜘蛛丝一样,目前“人造蜘蛛丝”在遭遇强外力损坏之后也很难进行修复。如何超越天然蜘蛛丝的这个属性?这是刘遵峰团队未来研究的重点。

标签:蜘蛛丝;人造;人造蜘蛛
责编:李苏珺
下一篇