科技科普：中國研發(fā)出批量生產(chǎn)蜘蛛絲的方法了！蜘蛛俠們不淡定了
很多人對(duì)蜘蛛絲的厲害最直觀的了解來源于蜘蛛俠。牽引將要傾倒的大廈，拉住快速奔馳的火車等。因?yàn)槠渚哂谐瑥?qiáng)韌性，蜘蛛絲引起了科學(xué)家的注意，紛紛想研制出強(qiáng)韌如蜘蛛絲般的材料。
在《自然通信》雜志最新的一篇文章中，南開大學(xué)的劉遵峰教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)用一種非常簡(jiǎn)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。

一揮就斷，蜘蛛絲憑什么是最堅(jiān)固材料？

現(xiàn)實(shí)生活中，蜘蛛絲之所以一揮就斷，最本質(zhì)的原因是，太細(xì)。蜘蛛絲其實(shí)具有極為特征的機(jī)械性能。
極高的抗拉強(qiáng)度。抗拉強(qiáng)度是指材料在拉伸條件下的最大承載能力。蜘蛛絲的抗拉強(qiáng)度（高達(dá)1.4 GPa），與高等級(jí)合金鋼相當(dāng)（0.45-2 GPa），甚至可以達(dá)到芳綸纖維，如凱夫拉纖維的一半（3 GPa）。但是金屬絲或凱夫拉纖維幾乎不可伸長，而蜘蛛絲可伸長自然狀態(tài)下本身長度的40%，在高濕的環(huán)境下可伸長本身長度的5倍。
蜘蛛絲伸長后幾乎不反彈。這使得蜘蛛絲在拉伸過程中能夠吸收大量的能量，其韌性（表示材料在塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力）平均為350 MJ/m3，即每立方米吸收的能量達(dá)到350兆焦耳，比鋼或芳綸纖維高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而韌性越好，則發(fā)生脆性斷裂的可能性越小。除了沒有反彈外，你幾乎看不到蜘蛛懸空的時(shí)候在那里轉(zhuǎn)個(gè)不停，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拉長后，可以自動(dòng)修復(fù)并重新使用。

如何使用人工方法制備蜘蛛絲？

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，例如，科學(xué)家曾嘗試使用蛛絲蛋白直接紡絲制備人造蜘蛛絲。但由于蜘蛛有同類相食的特性，不能夠像蠶一樣容易大規(guī)模飼養(yǎng)，使用其他方法獲得蛛絲蛋白也很難規(guī)模化放大。而使用合成方法，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)劉遵峰課題組在研究聚丙烯酸水凝膠纖維的過程中，發(fā)現(xiàn)這種纖維拉長后不易回彈，而且這種纖維的力學(xué)性質(zhì)很強(qiáng)，很容易達(dá)到上百兆帕。而這種性能正是類似于蜘蛛絲的性能。因此，團(tuán)隊(duì)對(duì)水凝膠纖維進(jìn)行了更加詳細(xì)的研究，研獲了超強(qiáng)韌人造蜘蛛絲。
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)0.89 GPa、拉伸長度可達(dá)到自然狀態(tài)下本身長度的44.3%，模量（在胡克定律適用的范圍內(nèi)，單軸應(yīng)力和單軸形變之間的比）高達(dá)28.7 GPa、韌性達(dá)到370MJ m-3，阻尼效率（即在負(fù)載過程中，損耗的能量在總能量的比值）達(dá)到95%。

人造蜘蛛絲制成的繩索應(yīng)用潛力很大

實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用"人造蜘蛛絲"制成的"球拍"，在金屬重物下墜時(shí)，起到了很好的緩沖效果。同時(shí)，在濕度增加的條件下，緩慢恢復(fù)到原來的形狀。 另一個(gè)捕獲雞蛋的實(shí)驗(yàn)中，讓雞蛋以一定的速度下落，觀察不同材料網(wǎng)捕獲結(jié)果。水凝膠纖維網(wǎng)塑性變形，雞蛋被安全捕獲，沒有破裂。 棉線網(wǎng)因沖擊力太大，雞蛋被弄破。 橡皮筋網(wǎng)彈性太強(qiáng)，雞蛋被從網(wǎng)里彈了出去。 人造蜘蛛絲水凝膠纖維較好的減震效果可以用作火災(zāi)逃生或是其他高空墜落的緩沖工具。它的強(qiáng)度很高，因此不容易斷裂。同時(shí)它又具有比較好的拉伸效果，可以增加承受重量的時(shí)間，使整個(gè)下落過程中的沖力比較小。因此，人造蜘蛛絲制成的繩索實(shí)現(xiàn)緩降自救。這根特殊的繩索可以承受人體重量，緩慢拉伸且不會(huì)像橡皮筋一樣會(huì)彈。這就大大降低了人體或物體下降的速度，從而起到緩沖作用。

水凝膠纖維人造蜘蛛絲是否可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)？

水凝膠纖維是用化學(xué)合成方法，制備出水凝膠的溶液，然后使用直接紡絲的方法，紡出絲來。這種方法很容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，成本也比較低。
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