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英国科学家成功研制新型仿蛛丝纤维,98%由水构成

北极蚊子 2017-8-15 11:57

虽然蜘蛛在生物界中的存在已有漫长的历史且遍布除南极洲以外的绝大部分陆地地区,但人类对于蜘蛛丝的利用直至1909年才蹒跚起步,20世纪90年代后才开始对蜘蛛丝的蛋白基因组成、结构形态、力学性能等进行深入研究,这也为人造蜘蛛丝的化学合成和商业化生产提供了可能性。但人工制造的仿蛛丝纤维不但没有天然蛛丝的强度和韧性,而且其制备原料含有一定的毒性、制备条件要求较高,造成其在技术尚未成熟情况下整体价格居高不下,这也大大限制了仿蛛丝纤维在材料领域特别是军用先进材料方面的应用。

据英国媒体近日报道,剑桥大学一支由结构力学家和化学家组成的技术团队成功研发出了一种高延展性、高强度的新型仿蛛丝纤维,该材料的最大特点是几乎完全由水制成,无毒无害、价格低廉,而且可以在室温环境下大量制造,其性能足以制造防弹衣、先进传感器、飞机雷达罩和宇航服等。

剑桥大学在其官方网站中称,制备这种新型仿蛛丝纤维的革命性手段就是使用了低能耗、无公害的工艺,这种工艺还可推广并改善其他合成纤维的制造方法,使整个合成纤维加工工业能够大幅降低能源消耗、减少使用有毒溶液及粘合剂。该校已将相关方案发表在《美国国家科学院学报》七月号上。

剑桥大学建筑系博士达尔希尔·沙赫参与了此次研发工作,他对媒体表示,“蜘蛛丝堪称自然界中存在的最强韧的材料之一,科学家们的人工仿制工作虽然取得了一定成果,但用途有限且无法完全再现其特性,新型仿蛛丝纤维的问世将在真正意义上推动相关研究的进步。”

研究人员指出,新型仿蛛丝纤维是从一种被称为“超分子聚合物水凝胶”(SPCH)的材料中“旋转抽离”的。这种“水凝胶”的成分包含2%的二氧化硅和纤维素,其余的98%为水。这些材料极为常见且容易批量获取,将其分别装入筒状容器并以类似手铐的“∞”形连接在专用设备上,各种材料间发生相互作用后生成“水凝胶”,再启动设备不断旋转即可抽出仿蛛丝纤维。

从“水凝胶”中抽出的仿蛛丝纤维尚未定型,但在室温环境下仅需30秒就能蒸发其中的水分。沙赫称,新型仿蛛丝纤维的直径仅有数微米,虽然无法与目前最强韧的人造纤维能承受100~150兆帕压力的性能相提并论,但其低成本、低能耗的特点也是前者不具备的。

剑桥大学化学系博士吴玉超(音译)表示,通过实验比对发现,新型仿蛛丝纤维的强度已经远超大多数胶粘纤维和人造丝,也比人和动物的毛发更具韧性。除此以外,这种纤维还能像蹦极使用的绳索一样吸收大量能量,这种高阻尼特性将使其成为芳纶纤维的有力竞争对手,后者是目前主流的防弹装具材料。科学家们表示,只有寥寥数种合成纤维具有高阻尼特性,新型仿蛛丝纤维是其中造价最低、性价比最高的,其某些特性甚至超过了蚕丝。

沙赫称,下一阶段他们将探寻如何对新型仿蛛丝材料进行编织和纺制,这也是该材料走向商业化的关键一步。该团队已经得到了英国工程和自然科学研究委员会(ESPRC)和利弗尔霍姆信托基金的资金支持。

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