中国科学家造出新材料 不被蜘蛛咬 你也能成&q
栏目:利来娱乐贵宾会 发布时间:2019-12-12 20:01

  来源:中国科普博览

  很多人对蜘蛛丝的厉害最直观的了解来源于蜘蛛侠。牵引将要倾倒的大厦,拉住快速奔驰的火车等。因为其具有超强韧性,蜘蛛丝引起了科学家的注意,纷纷想研制出强韧如蜘蛛丝般的材料。

  在《自然通信》杂志最新的一篇文章中,南开大学的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。

  Part.1

  一挥就断,蜘蛛丝凭什么是最坚固材料?

  现实生活中,蜘蛛丝之所以一挥就断,最本质的原因是,太细。蜘蛛丝其实具有极为特征的机械性能。

  极高的抗拉强度。抗拉强度是指材料在拉伸条件下的最大承载能力。蜘蛛丝的抗拉强度(高达1.4 GPa),与高等级合金钢相当(0.45-2 GPa),甚至可以达到芳纶纤维,如凯夫拉纤维的一半(3 GPa)。但是金属丝或凯夫拉纤维几乎不可伸长,而蜘蛛丝可伸长自然状态下本身长度的40%,在高湿的环境下可伸长本身长度的5倍。

  蜘蛛丝伸长后几乎不反弹。这使得蜘蛛丝在拉伸过程中能够吸收大量的能量,其韧性(表示材料在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力)平均为350 MJ/m3,即每立方米吸收的能量达到350兆焦耳,比钢或芳纶纤维高出几个数量级。而韧性越好,则发生脆性断裂的可能性越小。除了没有反弹外,你几乎看不到蜘蛛悬空的时候在那里转个不停,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拉长后,可以自动修复并重新使用。

左边是水凝胶纤维,右边是棉线。棉线悬停后会不断转圈,而水凝胶纤维则不会。左边是水凝胶纤维,右边是棉线。棉线悬停后会不断转圈,而水凝胶纤维则不会。

  Part.2

  如何使用人工方法制备蜘蛛丝?

  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,例如,科学家曾尝试使用蛛丝蛋白直接纺丝制备人造蜘蛛丝。但由于蜘蛛有同类相食的特性,不能够像蚕一样容易大规模饲养,使用其他方法获得蛛丝蛋白也很难规模化放大。而使用合成方法,制备能模仿蜘蛛丝的上述特性,仍然是一个难题。

  南开大学刘遵峰课题组在研究聚丙烯酸水凝胶纤维的过程中,发现这种纤维拉长后不易回弹,而且这种纤维的力学性质很强,很容易达到上百兆帕。而这种性能正是类似于蜘蛛丝的性能。因此,团队对水凝胶纤维进行了更加详细的研究,研获了超强韧人造蜘蛛丝。

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