剑桥大学开发出高强度人造蛛丝 可像蹦极绳一样吸收大量能量
剑桥大学研究团队近日开发出制造具有超弹性和超高强度纤维材料的方法。这种纤维类似于微型蹦极索，由一种含水量达98% 的水凝胶材料脱水而成，能够通过拉伸吸收大量的能量，且材料无毒，在室温下可持续生产。
这种新方法制造的蛛丝不仅比此前制造的各种人造蛛丝性能更好，而且在制造过程中不需要消耗大量的能量和有害溶剂。这种新的制造方法还可以推广到其他合成纤维的制造过程中，使纤维制造依赖于有毒、高耗能方法的境况得到很大改观。相关研究结果以Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel为题发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）期刊上。
蜘蛛丝是自然界中最强韧的材料之一，各国科学家一直在试图模仿其特性，并在不同程度上取得了成功。论文作者之一、剑桥大学建筑系达希尔·沙阿博士表示，“目前人类制造的蛛丝还无法做到与天然蛛丝一样轻盈强韧。”
剑桥大学设计的蛛丝纤维是由一种“水凝胶”糊状材料“纺”制而来。这种水凝胶98% 的成分是水，其余2%则是由自然界天然存在的硅和纤维素制成，两者通过分子“手铐”（被称为瓜环）被锁定在一起，形成纳米笼状超分子。由于不同官能团之间的共价键作用，超分子形成长链，凝胶中可抽取出超长的纤维，其直径仅几微米。纤维被抽取出来约30秒后，分子笼中的水分蒸发，仅剩下既有弹性又有高强度的纤维。
Darshil U. Shah博士介绍称，“我们制造的纤维抗拉强度约在100~150兆帕之间，虽然还不能和最强韧的蜘蛛丝相比，但这一强度与天然蚕丝及其他普通合成纤维相当。而且，我们的纤维是无毒的，制造过程中消耗的能量也很少。”
这种纤维能够在室温下自组装，通过超分子各组分间的共价键（相邻原子共享电子）结合成链。论文第一作者、剑桥大学化学系博士生吴玉超表示，“这些纤维在不同尺度上存在不同的作用力，使超分子紧密结合在一起。”
通过这种方法制造的人造蛛丝强度超过纤维素基粘胶及人造丝等合成纤维，以及人或动物毛发等天然纤维。
除了具有高强度之外，这种人造纤维还具有很高的阻尼，这意味着它们可以像蹦极索一样吸收大量的能量。研究人员发现，在某些情况下，这些人造纤维的阻尼甚至超过了天然丝绸。
Darshil U. Shah表示，这种纤维制造方法可以替代目前多种人造纤维制造方法。研究人员计划进一步探索纤维的化学特性，利用类似方法制造纱线和编织纤维。
本项研究是剑桥大学化学系梅尔维尔高分子合成实验室与建筑系国家材料创新中心协同创新的结果。这两个机构都希望能从自然界的材料和制造过程中汲取灵感，在不同尺度和学科中借鉴自然界特殊的设计。
本项研究获得了英国工程与物理科学研究理事会（EPSRC）和利弗休姆信托基金的资助。
论文链接：
http://www.pnas.org/content/early/2017/07/05/1705380114
来源：中国船舶工业综合技术经济研究院 丁宏
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