制造业和建筑业的革新:蛛丝或成为新一代超轻建材

制造业和建筑业的革新:蛛丝或成为新一代超轻建材

蛛丝在科学界是一种非凡的材料,这种蛋白质纤维几乎比现在人工能制造的材料都更强。

蜘蛛用来做网的外围的拽引丝更是个惊人的东西,它的抗拉强度相当于高级合金钢,但密度却只有它的六分之一。而且延展性特别好,有时可以拉到原来的五倍。这种强度与延展性的组合使得蛛丝极为坚韧,和新型的碳纤维如Kevlar有的一拼。

所以如果能让蜘蛛丝变得更强大毫无疑问会是重大的科学成就,这就是意大利特伦托大学的Emiliano Lepore和他的几个朋友一起在蜘蛛身上研究的东西。

这些人已经想到一个办法:把纳米管、石墨烯和蛛丝一起融合形成一种超越现存任何材料韧性的新材料。这样做出来的材料有几个特性,它的断裂强度、杨氏模量和弹性模量比测量过的任何东西都高。

该团队利用的办法比较简单,他们用了15只从意大利农村收集来的幽灵蛛科的蜘蛛,放在实验室里控制养殖,他们把这些蜘蛛的拽引丝收集起来做参考样本。

然后,他们开始把石墨烯和纳米管融入蛛丝中,办法简单又巧妙——给蜘蛛喷含有这些材料的水。然后再把蜘蛛吐的丝收集起来测量其力学性能。

每一缕丝,他们都把它固定在两个C形硬纸板上,然后把它放进一个可以测量设备里,它的测量精确度达到负载为15纳米牛(nano-newtons)及位移在0.1毫微米。

Lepore及他的同伴测量的结果为:“我们测量到,融合之后的蛛丝断裂强度达到了5.4GPa,杨氏模量高达47.8GPa,弹性模量是2.1GPa。这是一个纤维最高的弹性模量,比如今的合成高性能纤维还要强。”

这一努力给我们提出了一些有趣的问题。首先,蜘蛛是如何把纳米管和石墨烯吸收进蛛丝里的并不清楚。他们试图用光谱分析法来证明蛛丝里含有碳材料,但是没办法证明究竟是如何融入的。

一种可能性是,在蜘蛛成丝的时候表面被涂上了一层碳材料。Lepore他们不能排除这种可能性,但又觉得这不可能因为如果是这样的结构不会又他们测量出来的这个结果。他们认为,如果只是在表面加上涂层不会有明显的可观察到的强化效果。

Lepore的团队说,更有可能是蜘蛛摄入了含有碳材料的水之后把它们吸收进去了,在肚子里成丝时就把它们融入了蛛丝里面。因此,石墨烯和纳米管进入了每个蛛丝纤维的中部,在那里它们对纤维强度的影响最大。他们甚至自己模拟了碳纤维在中间的蛛丝分子结构,并说模拟品的力学性能与实验得出的成品符合。

不过蛛丝作为材料的利用在未来还存在着挑战。至今还没人发现收获蛛丝的有效办法,不过有人做过尝试。如果未来能开研究出大规模采集蛛丝的手段,并将其在工业发展就有可能广泛用于组织修复及服装设计。

这并不是第一次有科研人员试图修改蛛丝的结构,之前曾经有各种团队把蛛丝放到适当的蒸汽中在蛛丝里加入金属元素,虽然这样也大大增加了蛛丝的强度和柔韧性,但是效果没有Lepore的好。

Lepore的团队此次的结果给学界带来了非凡的影响,蛛丝本身就有特殊性能,那是经过4亿年进化得来的结果,而Lepore在此基础上又做了这么大的改进显然会给学者一点启示。这次采用的技术启示非常简单,而这也表明或许类似的办法对其他生物也可行。他们说:“这种加强办法也能在其他动植物中应用,产生一种新的仿生材料。

编辑:Helen
标签:科技建材建筑业制造业新型材料

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