南開大學團隊研獲超強韌人造蜘蛛絲

2021-01-08 南開大學新聞網

　　強度高、慢回彈、可重複伸縮 或將用於高空緩降

　　南開新聞網訊（記者 吳軍輝）科幻影片中，超級英雄「蜘蛛俠」能夠穿梭於摩天大廈之間或緩慢降至地面而毫髮無損，全憑神奇的「蜘蛛絲」。如今，這一科學幻想有望走進現實。南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、藥學院、功能高分子教育部重點實驗室劉遵峰教授團隊使用水凝膠纖維成功製備出了新型超強韌「人造蜘蛛絲」，它強度高、慢回彈、可重複伸縮，未來或將用於高空緩降等多領域。近日，介紹該成果的論文在線發表於國際知名學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。

　　自然界中的蜘蛛絲具有強大的機械性能，它表現出極高的抗拉強度（高達1.4GPa），與高等級合金鋼相當（0.45-2GPa），可以達到高強度合成纖維——芳綸纖維，如凱夫拉縴維的一半（3 GPa）。但是，通常情況下金屬絲或凱夫拉縴維幾乎不可伸長，而蜘蛛絲可伸長到約40%，在高溼的度環境下可伸長5倍。

　　「同時，蜘蛛絲伸長後幾乎不反彈。這使得這種纖維材料在拉伸過程中能夠吸收大量的能量，其韌性平均為350 MJ/m3，比鋼或芳綸纖維高出幾個數量級。」劉遵峰介紹說，除了沒有反彈外，人們幾乎看不到蜘蛛懸空身體旋轉，這意味著蜘蛛絲還可以吸收扭轉旋轉能量。

　　「此外，蜘蛛絲在被拉長後，遇到溼氣或遇水時，會恢復到初始長度。這使它被來襲的獵物撞擊而拉長後，可以自動修復並重新使用。」劉遵峰表示，這一切都表明蜘蛛絲具有超強的機械性能組合。

　　研究團隊設想，能否在實驗室中人工合成一種纖維材料，既能兼具蜘蛛絲的種種優良性能，又可以實現量產。

　　「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，但這種方法很難規模化放大。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。」劉遵峰說。

　　經過反覆試驗，劉遵峰團隊採用了一種非常簡單的方法，成功使用水凝膠纖維製備出了「人造蜘蛛絲」。這種新材料達到與天然蜘蛛絲幾乎相當的力學性能。劉遵峰介紹，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、並加捻獲得一定的捻度極大的增加了其強度。該纖維的拉伸強度可達895MPa、拉伸可達44.3%、模量高達28.7GPa、韌性達到370MJ m-3，阻尼效率達到95%。

　　這一新材料的研獲讓人們可以大膽想像：當高層建築發生火災等緊急情況時，人們可以使用由「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快速回彈。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。

　　實驗視頻顯示，使用「人造蜘蛛絲」製成的「球拍」，在金屬重物快速下墜時，緩慢拉伸，實現了很好的緩衝。同時，在溼度增加的條件下，「球網」又緩慢恢復原狀。

　　據了解，劉遵峰教授團隊一直致力於仿生智能高分子材料包括：新型納米材料、先進碳複合材料、人工肌肉的製備與應用等方面研究。一個月前，該團隊在《科學》（Science）雜誌刊文，報導了他們與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校合作者研獲的一種柔性製冷新策略——「扭熱製冷」。

　　論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13257-4

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