自然給人們帶來了無限的靈感，仿生是科學家們最常用的研究手段之一。天然蜘蛛絲有超高的拉伸強度（1150 ± 200 MPa）、優異的斷裂韌性（165 ± 30 J g-1）和斷裂應變（>50）。這都歸功於蜘蛛絲中排列十分有序的超分子網絡結構：蛋白自組裝形成剛性的納米限域結晶β片和柔性的無定形基質。但是蜘蛛會同類相殘，因此不能圈養，導致人們難以大量收集蜘蛛絲。骨也是經典的由剛性結晶相和柔性無定形相組成的生物材料：在生物礦化過程中，無機組分羥基磷灰石有序組裝到骨膠原束中。與蜘蛛絲的韌性不一樣，骨總是以硬度高出名。
受此啟發，浙江大學唐睿康教授和劉昭明博士將骨硬度高的優勢與蜘蛛絲的特點相結合，利用無機羥基磷灰石和有機聚乙烯醇PVA分別模擬剛性結晶和柔性無定形嵌段，製備仿生礦化有機-無機雜化纖維。該纖維具有超高拉伸強度949 ± 38 MPa，韌性達到296 ± 12 J g−1，拉伸應變80.6%，同時還具有寬溫度適用範圍（−196 ~ 80 °C）和阻止裂紋橫向生長的優異性能。
有機-無機有序結構在幾個納米尺度內的強化整合是獲得超材料的關鍵。因此作者將超小無定形磷酸鈣CaP作為礦物相的前驅體，與聚乙烯醇和海藻酸鈉進行自組裝得到薄膜結構，海藻酸鈉作為CaP和PVA之間連接的橋梁。組裝後的薄膜被切割成寬度1 cm的條帶經過溼法牽引和溼法扭轉，在PVA內部形成仿生的限域結構，同時CaP通過定向結晶形成羥基磷灰石。最終得到的纖維具有優異的韌性，彎曲、打結均不會發生脆性斷裂；頭髮絲不能承受的500 g重量對它而言也是小菜一碟。天然蜘蛛絲的韌性和抗張強度分別為16 5± 30 J g−1和1150 ± 200 MPa，作者製備的纖維能分別達到296 ± 12 J g−1和949 ± 38 MPa。同時作者發現剛性結晶和柔性無定形嵌段間的平衡是十分重要的，合適的有機相與無極相的含量比（通過改變羥基磷灰石的含量）是纖維獲得優異性能的關鍵之一。圖3 不同羥基磷灰石含量的雜化纖維的TEM、斷裂截面的SEM照片而且，由於絲納米纖維的縱向排列，從缺口中引出的裂紋方向可以偏轉到纖維的縱向方向，阻止裂紋橫向生長，使纖維具有超強的韌性。作者還測試了製備的纖維的耐溫性，即使在-50℃的低溫下，仍能保持較大的拉伸強度(397 ~ 456 MPa)和拉伸應變(42.7 ~ 58.9%)；在80oC儲存7天後的拉伸強度和拉伸應變分別為保持在562 ~ 642 MPa和52.6 ~ 61.5%。將纖維編織成15×15 cm的方形網可輕鬆承載2.5 kg的靜載荷並在500 g動載荷下產生彈性形變。這種優異的載荷耐力說明纖維有巨大的應用潛力，如飛機攔網等。總之，該研究提出了一種製備性能極其優異的仿生蜘蛛絲纖維的策略，簡單高效還不貴，還能實現大規模製備，在商業應用中的未來可期。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908556---納米纖維素找北方世紀---
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來源：高分子科學前沿
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