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天然蛛絲已經(jīng)夠強(qiáng)了?不,人造蛛絲秒殺它,更強(qiáng)韌,還能傳輸電信號(hào)
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-07-07 15:35:59
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天然蛛網(wǎng)上有兩類蛛絲，一種是與高等級(jí)合金鋼抗拉伸強(qiáng)度相當(dāng)?shù)闹虢z，即蛛網(wǎng)上的經(jīng)線，具有很高的韌性。另一種是黏附型蛛絲，即蛛網(wǎng)上的緯線，用于捕獲獵物。 南開(kāi)大學(xué)教授劉遵峰，中國(guó)科學(xué)院院士、東華大學(xué)教授朱美芳，中國(guó)藥科大學(xué)副教授周湘組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出一種皮層帶有類皮膚的褶皺結(jié)構(gòu)的人造蛛絲，強(qiáng)度達(dá)到1.61吉帕斯卡，韌性達(dá)到466兆焦/立方米，超過(guò)了自然界中強(qiáng)度最高的達(dá)爾文樹(shù)皮蛛的蛛絲。聯(lián)合團(tuán)隊(duì)同時(shí)研發(fā)出一種仿生黏附型人造蛛絲，其強(qiáng)度和韌性超過(guò)了天然的黏附型蛛絲。該人造蛛絲還可以傳輸電信號(hào)，表現(xiàn)出類似神經(jīng)元的功能，有望用于神經(jīng)修復(fù)、植入式電極、人機(jī)交互等。這兩項(xiàng)成果近日發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》。 說(shuō)起蜘蛛絲，可能很多人最先想到的就是電影“蜘蛛俠”了，蜘蛛俠利用手部發(fā)射的蜘蛛絲可以當(dāng)作繩索穿梭于高樓大廈之間，他那極其纖細(xì)的蜘蛛絲卻十分結(jié)實(shí)。我們回到現(xiàn)實(shí)！在自然界中，很多陳年破舊的地方都會(huì)出現(xiàn)蜘蛛絲，不知道大家有沒(méi)有細(xì)致的觀察過(guò)蜘蛛吐絲的過(guò)程，似乎就像是有著源源不斷的絲線從蜘蛛的腹部一點(diǎn)一點(diǎn)拉出來(lái)。 蜘蛛絲特性蜘蛛會(huì)一圈圈編制出經(jīng)緯線，一張規(guī)整、漂亮的蛛網(wǎng)不但是蜘蛛的家，那也是它賴以生存的捕獵武 器。蜘蛛絲非常強(qiáng)韌，哪怕是比它自身還要大的昆蟲(chóng)飛落到它的網(wǎng)上，也無(wú)法逃脫。蜘蛛絲的主要成分是蜘蛛絲蛋白，這其中包括甘氨酸和丙氨酸還有少量的絲氨酸，再加上少數(shù)其它氨基酸單體蛋白質(zhì)分子鏈，就構(gòu)成了蜘蛛絲。而看起來(lái)又細(xì)又軟的蜘蛛絲，為什么會(huì)具有很好的彈性與強(qiáng)度呢？ 其一；是因?yàn)橹虢z中具有不規(guī)則的蛋白質(zhì)分子鏈（非晶區(qū)），它保證了蛛絲的彈性。其二；蛛絲中具有規(guī)則的蛋白質(zhì)分子鏈（結(jié)晶區(qū)），這又保證了蛛絲的強(qiáng)度。據(jù)試驗(yàn)表明：如果將蜘蛛絲組成同繩子一樣粗細(xì)，那它的強(qiáng)度會(huì)比同樣粗細(xì)的鋼絲繩還要堅(jiān)韌，并且還能承受高于鋼絲繩5倍的重量。 蜘蛛絲性能到底有多牛 一個(gè)材料的性能包含了很多方面，比如力學(xué)性能、光學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、響應(yīng)性能等。下面我們就來(lái)看看蜘蛛絲在這些方面的表現(xiàn)。 蜘蛛絲因其高強(qiáng)度、高韌性、高延展性而聞名于世。它的強(qiáng)度可以達(dá)到1.6 GPa，比鋼鐵還要高出四倍；它的韌性可以達(dá)到160 MJ/m3，比凱夫拉纖維還要高出十倍；它的延展性可以達(dá)到30%，比尼龍還要高出一倍。這些優(yōu)異的力學(xué)性能使得蜘蛛絲可以承受高速飛行的小蟲(chóng)或者風(fēng)雨侵襲而不易斷裂，也使得人類可以利用它制作防彈衣、降落傘等軍 用裝備。 其次具有良好的透明度和導(dǎo)光性。它對(duì)可見(jiàn)光和紫外光都有很高的透過(guò)率，達(dá)到了90%以上；它還可以將光線沿著纖維方向傳輸，類似光纖的原理。這些光學(xué)性能使得蜘蛛絲可以用于制作光學(xué)傳感器、光學(xué)器件等。 并且還具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率。它的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到416 W/mK，比銅還要高出一倍；它的熱擴(kuò)散率可以達(dá)到1.3×10-6 m2/s，比水還要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這些導(dǎo)熱性能使得蜘蛛絲可以有效地將熱量從一端傳輸?shù)搅硪欢耍瑥亩３譁囟绕胶猓彩沟萌祟惪梢岳盟谱魃崞鳌⒏魺岵牧系取?/span> 再就是具有很強(qiáng)的濕度響應(yīng)和水響應(yīng)。它在不同濕度下會(huì)發(fā)生收縮或延展，這種現(xiàn)象被稱為超收縮。當(dāng)濕度增加時(shí)，蜘蛛絲會(huì)收縮，當(dāng)濕度減少時(shí)，蜘蛛絲會(huì)延展。這種超收縮現(xiàn)象使得蜘蛛網(wǎng)在被風(fēng)吹動(dòng)或被小蟲(chóng)撞擊后，在雨天或露水中能夠拉緊或恢復(fù)其初始形態(tài)，也使得人類可以利用它制作人造肌肉、軟機(jī)器人等。另外，蜘蛛絲還可以通過(guò)表面結(jié)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)水珠的定向移動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為集水。當(dāng)水珠凝結(jié)在蜘蛛絲上時(shí)，它們會(huì)沿著紡錘狀的微米結(jié)構(gòu)向中心匯聚，形成一個(gè)大水珠，并將多余的蜘蛛絲包裹進(jìn)去。這種集水現(xiàn)象使得蜘蛛網(wǎng)可以收集空氣中的水分，也使得人類可以利用它制作除濕器、集水器等。 最強(qiáng)韌人造蛛絲刷新世界紀(jì)錄 一直以來(lái)，制備人造蛛絲的常用方法是采用蛛絲蛋白或者重組蛋白進(jìn)行紡絲，但是其力學(xué)性能與天然蛛絲相去甚遠(yuǎn)。“這是因?yàn)樘烊恢虢z經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，形成了精細(xì)而獨(dú)特的微納多尺度結(jié)構(gòu)。”劉遵峰介紹，當(dāng)前，世界上報(bào)道的強(qiáng)度最高的天然蛛絲是在馬達(dá)加斯加島上發(fā)現(xiàn)的達(dá)爾文樹(shù)皮蛛的蛛絲，其強(qiáng)度可達(dá)1.6吉帕斯卡，韌性可達(dá)350兆焦/立方米。 劉遵峰團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了采用獨(dú)特的凝膠紡絲方法制備人造蛛絲，近年來(lái)取得了系列突破性進(jìn)展，不斷將人造蛛絲的性能推進(jìn)到新的高度。如劉遵峰團(tuán)隊(duì)提出了采用凝膠牽伸紡絲的方法，制備了具有捻曲—核殼結(jié)構(gòu)的人造蛛絲，強(qiáng)度可達(dá)0.9吉帕斯卡，韌性可達(dá)370兆焦/立方米。 受自然界中材料具有取向性的啟發(fā)，此次聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種表層帶有類皮膚褶皺結(jié)構(gòu)的人造蛛絲。劉遵峰解釋說(shuō)，很多材料的取向（分子鏈、納米纖維等沿一個(gè)方向平行排列）不是均勻的，比如樹(shù)木、皮膚、牙齒等，它們的核心層和表層的取向方向是相互垂直的。這有利于在提高水平方向強(qiáng)度的同時(shí)，抵抗來(lái)自垂直方向的沖擊，使得具有這種結(jié)構(gòu)的材料更加強(qiáng)韌。類皮膚的褶皺結(jié)構(gòu)就是把平行排列的結(jié)構(gòu)做成褶皺形狀，以提高在不同方向上的抗沖擊能力，使這種人造蛛絲強(qiáng)度達(dá)到1.61吉帕斯卡，韌性達(dá)到466兆焦/立方米。 仿生黏附型人造蛛絲可傳輸生物電信號(hào) 受神經(jīng)元在生物體內(nèi)傳輸?shù)膯l(fā)，科學(xué)家致力于研發(fā)人工神經(jīng)纖維及器件并應(yīng)用于柔性電子、智能設(shè)備和神經(jīng)態(tài)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。 蜘蛛的黏附型蛛絲表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高韌性，以及高黏附性。通過(guò)模仿黏附型蜘蛛絲的分子結(jié)構(gòu)和紡絲過(guò)程，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種力學(xué)性能優(yōu)異的水凝膠纖維。下一步，將黏附性和離子導(dǎo)電性引入水凝膠纖維中，人們或?qū)㈤_(kāi)發(fā)出具有優(yōu)異黏附性、力學(xué)強(qiáng)度和信號(hào)傳輸功能的人工神經(jīng)纖維。 “然而要實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和電學(xué)性能的良好結(jié)合，主要挑戰(zhàn)在于如何在連續(xù)紡絲的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)人工纖維分子間的相互作用和分級(jí)結(jié)構(gòu)。”朱美芳介紹。 聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于PrDA水凝膠纖維，開(kāi)發(fā)了一種用于生物電信號(hào)傳輸?shù)目杉忦ば詫?dǎo)電人造蛛絲材料。該人造蛛絲的兩性離子聚合物鏈間的靜電相互作用保證了優(yōu)異的牽引紡絲能力、力學(xué)性能和對(duì)不同類型表面的黏附性能。同時(shí)，該人造蛛絲顯示出良好的離子導(dǎo)電性，是捕捉人體生物電信號(hào)并傳輸?shù)綑z測(cè)儀器的理想界面材料。此外，將該人造蛛絲用于人工突觸晶體管的構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)擬神經(jīng)信號(hào)的可控調(diào)控。其未來(lái)可應(yīng)用于生物電極、腦機(jī)接口、可穿戴電子設(shè)備和神經(jīng)態(tài)計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_529188.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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