地球上存在著成千上萬種泌絲動(dòng)物，其中以家蠶和蜘蛛最為著名，因?yàn)樾Q絲和蜘蛛絲具有優(yōu)良的力學(xué)性能和巨大的仿生應(yīng)用潛力。泌絲行為可以影響絲纖維的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，家蠶和蜘蛛的自然泌絲行為會(huì)使新鮮分泌的絲纖維具有一定彎曲角度，然而一直未見關(guān)于這種彎曲作用是否影響新生絲纖維的結(jié)構(gòu)和性能的報(bào)道。該研究首先通過建模和調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)家蠶吐絲結(jié)繭和蜘蛛泌絲過程中，新生絲纖維通過噴絲口后會(huì)立刻發(fā)生一定角度范圍的彎曲，家蠶絲為70.23°-87.93°，蜘蛛絲為0°-50°。
圖2 新生蜘蛛絲彎度角度調(diào)查分析
該研究進(jìn)一步通過強(qiáng)拉絲實(shí)驗(yàn)來研究彎曲作用是否影響新生絲纖維的結(jié)構(gòu)和性能。在強(qiáng)拉絲過程中，作者使新生絲纖維受到不同角度的彎曲作用（0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°、180°、270°、360°），接著利用DMA、FTIR、WAXD等技術(shù)分析了上述不同彎曲角度對(duì)新生絲纖維力學(xué)性能、二級(jí)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)的影響。
圖3 新生蠶絲被彎曲處理后的結(jié)構(gòu)性能分析
結(jié)構(gòu)分析表明，β-折疊結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和晶粒尺寸隨彎曲角度的增大而逐漸增大，取向度隨彎曲角度的增大而逐漸減小。β-折疊結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度增大有利于絲纖維力學(xué)性能的增強(qiáng)，晶粒尺寸增大和取向度減小不利于絲纖維力學(xué)性能的增強(qiáng)。四種微觀結(jié)構(gòu)隨彎曲角度的增大發(fā)生規(guī)律性變化揭示了新生絲纖維的力學(xué)性能先增大后減小的原因：彎曲處理新生絲纖維過程中，前期（彎曲角度小于某個(gè)值時(shí)）β-折疊結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度增加導(dǎo)致的力學(xué)性能增加起主導(dǎo)作用，后期（彎曲角度大于上述值時(shí)）晶粒尺寸增大和取向度降低造成的力學(xué)性能下降起主導(dǎo)作用，這兩種相反的作用因素的綜合作用最終導(dǎo)致絲纖維的強(qiáng)度、彈性模量和韌度等力學(xué)性能出現(xiàn)先增大后減小的變化現(xiàn)象。
圖4 彎曲對(duì)新生絲蛋白纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c00868
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