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中國科學家造出新材料 不被蜘蛛咬 你也能成“蜘蛛俠”



很多人對蜘蛛絲的厲害最直觀的了解來源於蜘蛛俠。牽引將要傾倒的大廈,拉住快速奔馳的火車等。因為其具有超強韌性,蜘蛛絲引起了科學家的注意,紛紛想研製出強韌如蜘蛛絲般的材料。在《自然通信》雜誌最新的一篇文章中,南開大學的劉遵峰教授領導的一個研究團隊用一種非常簡單的方法,成功的使用水凝膠纖維製備出了人造蜘蛛絲,達到與天然蜘蛛絲幾乎相當的力學性能。

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Part.1

一揮就斷,蜘蛛絲憑什麼是最堅固材料?

現實生活中,蜘蛛絲之所以一揮就斷,最本質的原因是,太細。蜘蛛絲其實具有極為特徵的機械性能。

極高的抗拉強度。抗拉強度是指材料在拉伸條件下的最大承載能力。蜘蛛絲的抗拉強度(高達1.4 GPa),與高等級合金鋼相當(0.45-2 GPa),甚至可以達到芳綸纖維,如凱夫拉縴維的一半(3 GPa)。但是金屬絲或凱夫拉縴維幾乎不可伸長,而蜘蛛絲可伸長自然狀態下本身長度的40%,在高濕的環境下可伸長本身長度的5倍。

蜘蛛絲伸長後幾乎不反彈。這使得蜘蛛絲在拉伸過程中能夠吸收大量的能量,其韌性(表示材料在塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力)平均為350 MJ/m3,即每立方米吸收的能量達到350兆焦耳,比鋼或芳綸纖維高出幾個數量級。而韌性越好,則發生脆性斷裂的可能性越小。除了沒有反彈外,你幾乎看不到蜘蛛懸空的時候在那裡轉個不停,這意味著蜘蛛絲還可以吸收扭轉旋轉能量。最後,蜘蛛絲在被拉長後,遇到濕氣或遇水時,會恢復到初始長度。這使它被來襲的獵物撞擊拉長後,可以自動修復並重新使用。

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左邊是水凝膠纖維,右邊是棉線。棉線懸停後會不斷轉圈,而水凝膠纖維則不會。

Part.2

如何使用人工方法製備蜘蛛絲?

人們已經嘗試用蠶絲蛋白來製作人工蜘蛛絲,並取得了一定的成功,例如,科學家曾嘗試使用蛛絲蛋白直接紡絲製備人造蜘蛛絲。但由於蜘蛛有同類相食的特性,不能夠像蠶一樣容易大規模飼養,使用其他方法獲得蛛絲蛋白也很難規模化放大。而使用合成方法,製備能模仿蜘蛛絲的上述特性,仍然是一個難題。

南開大學劉遵峰課題組在研究聚丙烯酸水凝膠纖維的過程中,發現這種纖維拉長後不易回彈,而且這種纖維的力學性質很強,很容易達到上百兆帕。而這種性能正是類似於蜘蛛絲的性能。因此,團隊對水凝膠纖維進行了更加詳細的研究,研獲了超強韌人造蜘蛛絲。

水凝膠纖維由聚丙烯酸製成。聚丙烯酸具有核-鞘結構,通過摻雜二價離子、並加撚獲得一定的撚度極大的增加了其強度。該纖維的拉伸強度可達0.89 GPa、拉伸長度可達到自然狀態下本身長度的44.3%,模量(在胡克定律適用的範圍內,單軸應力和單軸形變之間的比)高達28.7 GPa、韌性達到370MJ m-3,阻尼效率(即在負載過程中,損耗的能量在總能量的比值)達到95%。

Part.3

人造蜘蛛絲製成的繩索應用潛力很大

實驗中,研究人員使用“人造蜘蛛絲”製成的“球拍”,在金屬重物下墜時,起到了很好的緩衝效果。同時,在濕度增加的條件下,緩慢恢復到原來的形狀。

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另一個捕獲雞蛋的實驗中,讓雞蛋以一定的速度下落,觀察不同材料網捕獲結果。水凝膠纖維網塑性變形,雞蛋被安全捕獲,沒有破裂。

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棉線網因衝擊力太大,雞蛋被弄破。

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橡皮筋網彈性太強,雞蛋被從網裡彈了出去。

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人造蜘蛛絲水凝膠纖維較好的減震效果可以用作火災逃生或是其他高空墜落的緩衝工具。它的強度很高,因此不容易斷裂。同時它又具有比較好的拉伸效果,可以增加承受重量的時間,使整個下落過程中的衝力比較小。因此,人造蜘蛛絲製成的繩索實現緩降自救。這根特殊的繩索可以承受人體重量,緩慢拉伸且不會像橡皮筋一樣會彈。這就大大降低了人體或物體下降的速度,從而起到緩衝作用。

Part.4

水凝膠纖維人造蜘蛛絲

是否可以實現批量生產?

水凝膠纖維是用化學合成方法,製備出水凝膠的溶液,然後使用直接紡絲的方法,紡出絲來。這種方法很容易實現量產化,成本也比較低。