眾所周知，蜘蛛絲具有非常優(yōu)異的機(jī)械性能，它表現(xiàn)出極高的抗拉強(qiáng)度（高達(dá)1.4 GPa），與高等級(jí)合金鋼相當(dāng)（0.45-2 GPa），可以達(dá)到芳綸纖維， 如凱夫拉纖維的一半（3 GPa）。但金屬絲或凱夫拉纖維幾乎是不能拉伸的，而蜘蛛絲則可伸長到約40%，在高濕度環(huán)境下可伸長至5倍，且蜘蛛絲在伸長后幾乎不發(fā)生任何反彈。這使得這種纖維材料在拉伸過程中能夠大量吸收能量，其韌性平均為350 MJ/m3，比鋼或芳綸纖維高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。除了沒有反彈外，蜘蛛懸空時(shí)沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這意味著蜘蛛絲還可以吸收扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)能量。最后，蜘蛛絲在被拉長后，遇到濕氣或遇水時(shí)，會(huì)恢復(fù)到初始長度。這使它被來襲的獵物撞擊而拉長后，可以自動(dòng)修復(fù)并重新使用。
如何使用人工方法來制備蜘蛛絲？人們已經(jīng)嘗試用蠶絲蛋白來制作人工蜘蛛絲，并取得了一定的成功，但這種方法很難規(guī)模化放大。使用合成方法，制備能模仿蜘蛛絲的上述特性，仍然是一個(gè)難題。南開大學(xué)劉遵峰教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)用一種非常簡單的方法，成功的使用水凝膠纖維制備出了人造蜘蛛絲，達(dá)到與天然蜘蛛絲幾乎相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。11月22日，介紹該成果的論文在線發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。
水凝膠纖維由聚丙烯酸制成，聚丙烯酸具有核-鞘結(jié)構(gòu)，通過摻雜二價(jià)離子、并加捻獲得一定的捻度極大的增加了其強(qiáng)度。該纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)895MPa、拉伸可達(dá)44.3%、模量高達(dá)28.7 GPa、韌性達(dá)到370 MJ m-3，阻尼效率達(dá)到95%。
圖1. 水凝膠纖維呈現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)，通過摻雜離子和加入捻度，可大大提高其力學(xué)性能。a,水凝膠的兩步合成過程：乙烯基硅納米粒子的形成以及自由基聚合。b,制備單根水凝膠纖維的過程：將鋼棍浸入水凝膠中進(jìn)行拉絲。c, 懸掛在天然蜘蛛絲上的Araneus diadematus蜘蛛。d, 水凝膠纖維在不同干燥時(shí)間下的激光共聚焦照片。e, 水凝膠纖維的核殼結(jié)構(gòu)模型。f-i, 水凝膠纖維未加捻(f)，加捻(g)，2股自平衡(h)，6股自平衡(i)的SEM照片。j,不同VSNP含量的水凝膠纖維的力學(xué)性能。k,不同加捻密度的力學(xué)性能。
據(jù)了解，劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)一直致力于智能柔性材料，包括新型納米材料、先進(jìn)碳復(fù)合材料、人工肌肉的制備與應(yīng)用等方面研究。一個(gè)月前，該團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）雜志刊文，報(bào)道了他們與美國德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校合作者研獲的一種柔性制冷新策略——“扭熱制冷”。
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