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天然蛛丝已经够强了?不,人造蛛丝秒杀它,更强韧,还能传输电信号

文章来源：贤集网更新时间：2023-07-07 15:35:59

天然蛛网上有两类蛛丝，一种是与高等级合金钢抗拉伸强度相当的蛛丝，即蛛网上的经线，具有很高的韧性。另一种是黏附型蛛丝，即蛛网上的纬线，用于捕获猎物。

南开大学教授刘遵峰，中国科学院院士、东华大学教授朱美芳，中国药科大学副教授周湘组成的联合团队，研发出一种皮层带有类皮肤的褶皱结构的人造蛛丝，强度达到1.61吉帕斯卡，韧性达到466兆焦/立方米，超过了自然界中强度最高的达尔文树皮蛛的蛛丝。联合团队同时研发出一种仿生黏附型人造蛛丝，其强度和韧性超过了天然的黏附型蛛丝。该人造蛛丝还可以传输电信号，表现出类似神经元的功能，有望用于神经修复、植入式电极、人机交互等。这两项成果近日发表于国际期刊《先进材料》。

说起蜘蛛丝，可能很多人最先想到的就是电影“蜘蛛侠”了，蜘蛛侠利用手部发射的蜘蛛丝可以当作绳索穿梭于高楼大厦之间，他那极其纤细的蜘蛛丝却十分结实。我们回到现实！在自然界中，很多陈年破旧的地方都会出现蜘蛛丝，不知道大家有没有细致的观察过蜘蛛吐丝的过程，似乎就像是有着源源不断的丝线从蜘蛛的腹部一点一点拉出来。

蜘蛛丝特性蜘蛛会一圈圈编制出经纬线，一张规整、漂亮的蛛网不但是蜘蛛的家，那也是它赖以生存的捕猎武器。蜘蛛丝非常强韧，哪怕是比它自身还要大的昆虫飞落到它的网上，也无法逃脱。蜘蛛丝的主要成分是蜘蛛丝蛋白，这其中包括甘氨酸和丙氨酸还有少量的丝氨酸，再加上少数其它氨基酸单体蛋白质分子链，就构成了蜘蛛丝。而看起来又细又软的蜘蛛丝，为什么会具有很好的弹性与强度呢？

其一；是因为蛛丝中具有不规则的蛋白质分子链（非晶区），它保证了蛛丝的弹性。其二；蛛丝中具有规则的蛋白质分子链（结晶区），这又保证了蛛丝的强度。据试验表明：如果将蜘蛛丝组成同绳子一样粗细，那它的强度会比同样粗细的钢丝绳还要坚韧，并且还能承受高于钢丝绳5倍的重量。

蜘蛛丝性能到底有多牛

一个材料的性能包含了很多方面，比如力学性能、光学性能、导热性能、响应性能等。下面我们就来看看蜘蛛丝在这些方面的表现。

蜘蛛丝因其高强度、高韧性、高延展性而闻名于世。它的强度可以达到1.6 GPa，比钢铁还要高出四倍；它的韧性可以达到160 MJ/m3，比凯夫拉纤维还要高出十倍；它的延展性可以达到30%，比尼龙还要高出一倍。这些优异的力学性能使得蜘蛛丝可以承受高速飞行的小虫或者风雨侵袭而不易断裂，也使得人类可以利用它制作防弹衣、降落伞等军用装备。

其次具有良好的透明度和导光性。它对可见光和紫外光都有很高的透过率，达到了90%以上；它还可以将光线沿着纤维方向传输，类似光纤的原理。这些光学性能使得蜘蛛丝可以用于制作光学传感器、光学器件等。

并且还具有很高的导热系数和热扩散率。它的导热系数可以达到416 W/mK，比铜还要高出一倍；它的热扩散率可以达到1.3×10-6 m2/s，比水还要高出两个数量级。这些导热性能使得蜘蛛丝可以有效地将热量从一端传输到另一端，从而保持温度平衡，也使得人类可以利用它制作散热器、隔热材料等。

再就是具有很强的湿度响应和水响应。它在不同湿度下会发生收缩或延展，这种现象被称为超收缩。当湿度增加时，蜘蛛丝会收缩，当湿度减少时，蜘蛛丝会延展。这种超收缩现象使得蜘蛛网在被风吹动或被小虫撞击后，在雨天或露水中能够拉紧或恢复其初始形态，也使得人类可以利用它制作人造肌肉、软机器人等。另外，蜘蛛丝还可以通过表面结构来驱动水珠的定向移动，这种现象被称为集水。当水珠凝结在蜘蛛丝上时，它们会沿着纺锤状的微米结构向中心汇聚，形成一个大水珠，并将多余的蜘蛛丝包裹进去。这种集水现象使得蜘蛛网可以收集空气中的水分，也使得人类可以利用它制作除湿器、集水器等。

最强韧人造蛛丝刷新世界纪录

一直以来，制备人造蛛丝的常用方法是采用蛛丝蛋白或者重组蛋白进行纺丝，但是其力学性能与天然蛛丝相去甚远。“这是因为天然蛛丝经过亿万年的进化，形成了精细而独特的微纳多尺度结构。”刘遵峰介绍，当前，世界上报道的强度最高的天然蛛丝是在马达加斯加岛上发现的达尔文树皮蛛的蛛丝，其强度可达1.6吉帕斯卡，韧性可达350兆焦/立方米。

刘遵峰团队创新性地提出了采用独特的凝胶纺丝方法制备人造蛛丝，近年来取得了系列突破性进展，不断将人造蛛丝的性能推进到新的高度。如刘遵峰团队提出了采用凝胶牵伸纺丝的方法，制备了具有捻曲—核壳结构的人造蛛丝，强度可达0.9吉帕斯卡，韧性可达370兆焦/立方米。

受自然界中材料具有取向性的启发，此次联合团队研发出一种表层带有类皮肤褶皱结构的人造蛛丝。刘遵峰解释说，很多材料的取向（分子链、纳米纤维等沿一个方向平行排列）不是均匀的，比如树木、皮肤、牙齿等，它们的核心层和表层的取向方向是相互垂直的。这有利于在提高水平方向强度的同时，抵抗来自垂直方向的冲击，使得具有这种结构的材料更加强韧。类皮肤的褶皱结构就是把平行排列的结构做成褶皱形状，以提高在不同方向上的抗冲击能力，使这种人造蛛丝强度达到1.61吉帕斯卡，韧性达到466兆焦/立方米。

仿生黏附型人造蛛丝可传输生物电信号

受神经元在生物体内传输的启发，科学家致力于研发人工神经纤维及器件并应用于柔性电子、智能设备和神经态计算机等领域。

蜘蛛的黏附型蛛丝表现出高强度和高韧性，以及高黏附性。通过模仿黏附型蜘蛛丝的分子结构和纺丝过程，人们已经开发出了各种力学性能优异的水凝胶纤维。下一步，将黏附性和离子导电性引入水凝胶纤维中，人们或将开发出具有优异黏附性、力学强度和信号传输功能的人工神经纤维。

“然而要实现力学性能和电学性能的良好结合，主要挑战在于如何在连续纺丝的基础上调节人工纤维分子间的相互作用和分级结构。”朱美芳介绍。

联合团队基于PrDA水凝胶纤维，开发了一种用于生物电信号传输的可纺黏性导电人造蛛丝材料。该人造蛛丝的两性离子聚合物链间的静电相互作用保证了优异的牵引纺丝能力、力学性能和对不同类型表面的黏附性能。同时，该人造蛛丝显示出良好的离子导电性，是捕捉人体生物电信号并传输到检测仪器的理想界面材料。此外，将该人造蛛丝用于人工突触晶体管的构建，可实现拟神经信号的可控调控。其未来可应用于生物电极、脑机接口、可穿戴电子设备和神经态计算机等领域。

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