南开大学刘遵峰教授课题组研获超强韧人造蜘蛛丝
众所周知，蜘蛛丝具有非常优异的机械性能，它表现出极高的抗拉强度（高达1.4 GPa），与高等级合金钢相当（0.45-2 GPa），可以达到芳纶纤维， 如凯夫拉纤维的一半（3 GPa）。但金属丝或凯夫拉纤维几乎是不能拉伸的，而蜘蛛丝则可伸长到约40%，在高湿度环境下可伸长至5倍，且蜘蛛丝在伸长后几乎不发生任何反弹。这使得这种纤维材料在拉伸过程中能够大量吸收能量，其韧性平均为350 MJ/m3，比钢或芳纶纤维高出几个数量级。除了没有反弹外，蜘蛛悬空时没有发生旋转，这意味着蜘蛛丝还可以吸收扭转旋转能量。最后，蜘蛛丝在被拉长后，遇到湿气或遇水时，会恢复到初始长度。这使它被来袭的猎物撞击而拉长后，可以自动修复并重新使用。
如何使用人工方法来制备蜘蛛丝？人们已经尝试用蚕丝蛋白来制作人工蜘蛛丝，并取得了一定的成功，但这种方法很难规模化放大。使用合成方法，制备能模仿蜘蛛丝的上述特性，仍然是一个难题。南开大学刘遵峰教授领导的一个研究团队用一种非常简单的方法，成功的使用水凝胶纤维制备出了人造蜘蛛丝，达到与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能。11月22日，介绍该成果的论文在线发表于国际知名学术期刊《Nature Communications》上。
水凝胶纤维由聚丙烯酸制成，聚丙烯酸具有核-鞘结构，通过掺杂二价离子、并加捻获得一定的捻度极大的增加了其强度。该纤维的拉伸强度可达895MPa、拉伸可达44.3%、模量高达28.7 GPa、韧性达到370 MJ m-3，阻尼效率达到95%。
图1. 水凝胶纤维呈现核壳结构，通过掺杂离子和加入捻度，可大大提高其力学性能。a,水凝胶的两步合成过程：乙烯基硅纳米粒子的形成以及自由基聚合。b,制备单根水凝胶纤维的过程：将钢棍浸入水凝胶中进行拉丝。c, 悬挂在天然蜘蛛丝上的Araneus diadematus蜘蛛。d, 水凝胶纤维在不同干燥时间下的激光共聚焦照片。e, 水凝胶纤维的核壳结构模型。f-i, 水凝胶纤维未加捻(f)，加捻(g)，2股自平衡(h)，6股自平衡(i)的SEM照片。j,不同VSNP含量的水凝胶纤维的力学性能。k,不同加捻密度的力学性能。
这一新材料的研获让人们可以大胆想象：当高层建筑发生火灾等紧急情况时，人们可以使用有“人造蜘蛛丝”制成的绳索实现缓降自救。这根特殊的绳索可以承受人体重量，缓慢拉伸且不会像橡皮筋一样会弹。这就大大降低了人体或物体下降的速度，从而起到缓冲作用。
视频1. 水凝胶纤维可用作危急情况下，高空坠落时的缓冲保护，如火灾。
下面实验显示，当鸡蛋以4.4米/秒的速度下落时：水凝胶纤维网塑性变形，鸡蛋被安全捕获，没有破裂。棉线网因冲击力大而把鸡蛋弄破了。橡皮筋网弹性变形，鸡蛋从网里弹了出去。
视频2. 水凝胶纤维、棉线和橡皮筋的减震效果对比。
实验视频显示，使用“人造蜘蛛丝”制成的“球拍”，在金属重物下坠时，实现了很好的缓冲。同时，在湿度增加的条件下，缓慢恢复原状。
据了解，刘遵峰教授团队一直致力于智能柔性材料，包括新型纳米材料、先进碳复合材料、人工肌肉的制备与应用等方面研究。一个月前，该团队在《科学》（Science）杂志刊文，报道了他们与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校合作者研获的一种柔性制冷新策略——“扭热制冷”。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13257-4
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