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一种比天然蛛丝强度更高的人工蚕丝
发布日期:2022-10-17 浏览次数:446

天然蜘蛛丝是自然界中已知韧性最强的天然纤维,其强度可以与高强碳纤维以及芳纶等高性能纤维相媲美。优异的强度、韧性特点使得蜘蛛丝纤维在国防、军事、建筑等领域具有广阔应用前景。但是由于蜘蛛无法密集养殖,天然蛛丝的产量也很少,因此难以获得大批量用于纺织品的蛛丝。

过去数十年里,研究者们都在探索开发一种易于生产且像蛛丝一样坚韧、轻便、可生物降解的纤维,也有人提出将蛛丝的性能“转移”到蚕丝上的设想。蚕丝平滑富有弹性,光泽性和吸湿性较高,是纺织品中常用的高档原料,但相对于蛛丝而言,其强度和韧性都远远不够。

近日,天津大学研究团队通过一种特殊的化学浴去除了普通蚕丝中的外层丝胶和蜡质等,并结合金属离子辅助增强的方法,得到了力学性能胜过蛛丝的超强蚕丝纤维。

此前,各地研究者就已经尝试以蚕丝为出发点来制造更为坚韧的纤维,并报道过通过在化学浴中煮沸蚕丝来剥去其外层丝胶的试验,但是在这个过程中,蚕丝中的蛋白质成分一旦受到太大破坏,就很难再被重新纺制成高性能产品。这项研究采用了一种在较低温度下通过木瓜酶(RSF-Pa)或SDS和Na2CO3(RSF-SN)辅助溶解蚕丝外层的方法,该方法更为温和,得到的丝线脱胶率均在28%左右,并且内部蛋白分子量仍较大(>350 kDa),在一定程度上保证了其力学性能。

经过上述处理过程后,将RSF-SN和RSF-Pa浸入溴化锂溶液中进行复性后,发现丝线可以高效组装成水化动力半径为20~30和200~300nm的大型复合物,并通过圆二色谱及刚果红染色实验协同证实这些蛋白之间形成了成β-堆积结构。但该特性也使得它们在纯水中易于形成凝胶,因此研究者将所得丝线冻干后分散于六氟异丙二醇(HFIP)中,以便用于人工纺丝。

人工纺丝的具体过程为:将浓缩的RSF-SN或RSF-Pa通过微管挤出,并将挤出的材料迅速浸泡在含有锌离子和铁离子的溶液中,从而形成细长的纤维。由此得到的RSF-SN纤维展现出了极高的抗拉伸强度((2054±177)MPa),比脱胶后的天然蚕丝((610±84)MPa)和蛛丝((1117±275)MPa)分别高出200%和70%以上,并且其平均杨氏模量为(43±6)GPa,显著高于已知的天然微丝(<20GPa)。人工蚕丝具备优异强韧性可能主要得益于以下方面:(1)β-折叠的含量在50%以上,接近于天然蛛丝;(2)具有高结晶度,内部含有类似天然蛛丝的纳米微晶;(3)Zn2+结合氨基酸残基起到类似交联的作用。

这项研究为生产高性能人造纤维提供了一种高效便捷的途径,并以“Arti?cial superstrong silkworm silk surpasses natural spider silks”为题发表在《Matter》上。

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