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天然蛛絲已經夠強了?不,人造蛛絲秒殺它,更強韌,還能傳輸電信號

文章來源：賢集網更新時間：2023-07-07 15:35:59

天然蛛網上有兩類蛛絲，一種是與高等級合金鋼抗拉伸強度相當的蛛絲，即蛛網上的經線，具有很高的韌性。另一種是黏附型蛛絲，即蛛網上的緯線，用于捕獲獵物。

南開大學教授劉遵峰，中國科學院院士、東華大學教授朱美芳，中國藥科大學副教授周湘組成的聯合團隊，研發出一種皮層帶有類皮膚的褶皺結構的人造蛛絲，強度達到1.61吉帕斯卡，韌性達到466兆焦/立方米，超過了自然界中強度最高的達爾文樹皮蛛的蛛絲。聯合團隊同時研發出一種仿生黏附型人造蛛絲，其強度和韌性超過了天然的黏附型蛛絲。該人造蛛絲還可以傳輸電信號，表現出類似神經元的功能，有望用于神經修復、植入式電極、人機交互等。這兩項成果近日發表于國際期刊《先進材料》。

說起蜘蛛絲，可能很多人最先想到的就是電影“蜘蛛俠”了，蜘蛛俠利用手部發射的蜘蛛絲可以當作繩索穿梭于高樓大廈之間，他那極其纖細的蜘蛛絲卻十分結實。我們回到現實！在自然界中，很多陳年破舊的地方都會出現蜘蛛絲，不知道大家有沒有細致的觀察過蜘蛛吐絲的過程，似乎就像是有著源源不斷的絲線從蜘蛛的腹部一點一點拉出來。

蜘蛛絲特性蜘蛛會一圈圈編制出經緯線，一張規整、漂亮的蛛網不但是蜘蛛的家，那也是它賴以生存的捕獵武器。蜘蛛絲非常強韌，哪怕是比它自身還要大的昆蟲飛落到它的網上，也無法逃脫。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，再加上少數其它氨基酸單體蛋白質分子鏈，就構成了蜘蛛絲。而看起來又細又軟的蜘蛛絲，為什么會具有很好的彈性與強度呢？

其一；是因為蛛絲中具有不規則的蛋白質分子鏈（非晶區），它保證了蛛絲的彈性。其二；蛛絲中具有規則的蛋白質分子鏈（結晶區），這又保證了蛛絲的強度。據試驗表明：如果將蜘蛛絲組成同繩子一樣粗細，那它的強度會比同樣粗細的鋼絲繩還要堅韌，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

一個材料的性能包含了很多方面，比如力學性能、光學性能、導熱性能、響應性能等。下面我們就來看看蜘蛛絲在這些方面的表現。

蜘蛛絲因其高強度、高韌性、高延展性而聞名于世。它的強度可以達到1.6 GPa，比鋼鐵還要高出四倍；它的韌性可以達到160 MJ/m3，比凱夫拉纖維還要高出十倍；它的延展性可以達到30%，比尼龍還要高出一倍。這些優異的力學性能使得蜘蛛絲可以承受高速飛行的小蟲或者風雨侵襲而不易斷裂，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光性。它對可見光和紫外光都有很高的透過率，達到了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。這些光學性能使得蜘蛛絲可以用于制作光學傳感器、光學器件等。

并且還具有很高的導熱系數和熱擴散率。它的導熱系數可以達到416 W/mK，比銅還要高出一倍；它的熱擴散率可以達到1.3×10-6 m2/s，比水還要高出兩個數量級。這些導熱性能使得蜘蛛絲可以有效地將熱量從一端傳輸到另一端，從而保持溫度平衡，也使得人類可以利用它制作散熱器、隔熱材料等。

再就是具有很強的濕度響應和水響應。它在不同濕度下會發生收縮或延展，這種現象被稱為超收縮。當濕度增加時，蜘蛛絲會收縮，當濕度減少時，蜘蛛絲會延展。這種超收縮現象使得蜘蛛網在被風吹動或被小蟲撞擊后，在雨天或露水中能夠拉緊或恢復其初始形態，也使得人類可以利用它制作人造肌肉、軟機器人等。另外，蜘蛛絲還可以通過表面結構來驅動水珠的定向移動，這種現象被稱為集水。當水珠凝結在蜘蛛絲上時，它們會沿著紡錘狀的微米結構向中心匯聚，形成一個大水珠，并將多余的蜘蛛絲包裹進去。這種集水現象使得蜘蛛網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。

最強韌人造蛛絲刷新世界紀錄

一直以來，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行紡絲，但是其力學性能與天然蛛絲相去甚遠。“這是因為天然蛛絲經過億萬年的進化，形成了精細而獨特的微納多尺度結構。”劉遵峰介紹，當前，世界上報道的強度最高的天然蛛絲是在馬達加斯加島上發現的達爾文樹皮蛛的蛛絲，其強度可達1.6吉帕斯卡，韌性可達350兆焦/立方米。

劉遵峰團隊創新性地提出了采用獨特的凝膠紡絲方法制備人造蛛絲，近年來取得了系列突破性進展，不斷將人造蛛絲的性能推進到新的高度。如劉遵峰團隊提出了采用凝膠牽伸紡絲的方法，制備了具有捻曲—核殼結構的人造蛛絲，強度可達0.9吉帕斯卡，韌性可達370兆焦/立方米。

受自然界中材料具有取向性的啟發，此次聯合團隊研發出一種表層帶有類皮膚褶皺結構的人造蛛絲。劉遵峰解釋說，很多材料的取向（分子鏈、納米纖維等沿一個方向平行排列）不是均勻的，比如樹木、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度的同時，抵抗來自垂直方向的沖擊，使得具有這種結構的材料更加強韌。類皮膚的褶皺結構就是把平行排列的結構做成褶皺形狀，以提高在不同方向上的抗沖擊能力，使這種人造蛛絲強度達到1.61吉帕斯卡，韌性達到466兆焦/立方米。

仿生黏附型人造蛛絲可傳輸生物電信號

受神經元在生物體內傳輸的啟發，科學家致力于研發人工神經纖維及器件并應用于柔性電子、智能設備和神經態計算機等領域。

蜘蛛的黏附型蛛絲表現出高強度和高韌性，以及高黏附性。通過模仿黏附型蜘蛛絲的分子結構和紡絲過程，人們已經開發出了各種力學性能優異的水凝膠纖維。下一步，將黏附性和離子導電性引入水凝膠纖維中，人們或將開發出具有優異黏附性、力學強度和信號傳輸功能的人工神經纖維。

“然而要實現力學性能和電學性能的良好結合，主要挑戰在于如何在連續紡絲的基礎上調節人工纖維分子間的相互作用和分級結構。”朱美芳介紹。

聯合團隊基于PrDA水凝膠纖維，開發了一種用于生物電信號傳輸的可紡黏性導電人造蛛絲材料。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異的牽引紡絲能力、力學性能和對不同類型表面的黏附性能。同時，該人造蛛絲顯示出良好的離子導電性，是捕捉人體生物電信號并傳輸到檢測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建，可實現擬神經信號的可控調控。其未來可應用于生物電極、腦機接口、可穿戴電子設備和神經態計算機等領域。

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來源：賢集網
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