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  劍橋大學(xué)研究團(tuán)隊近日開發(fā)出制造具有超彈性和超高強(qiáng)度纖維材料的方法。這種纖維類似于微型蹦極索，由一種含水量達(dá)98% 的水凝膠材料脫水而成，能夠通過拉伸吸收大量的能量，且材料無毒，在室溫下可持續(xù)生產(chǎn)。

  這種新方法制造的蛛絲不僅比此前制造的各種人造蛛絲性能更好，而且在制造過程中不需要消耗大量的能量和有害溶劑。這種新的制造方法還可以推廣到其他合成纖維的制造過程中，使纖維制造依賴于有毒、高耗能方法的境況得到很大改觀。相關(guān)研究結(jié)果以Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel為題發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）期刊上。

  蜘蛛絲是自然界中最強(qiáng)韌的材料之一，各國科學(xué)家一直在試圖模仿其特性，并在不同程度上取得了成功。論文作者之一、劍橋大學(xué)建筑系達(dá)希爾·沙阿博士表示，“目前人類制造的蛛絲還無法做到與天然蛛絲一樣輕盈強(qiáng)韌。”

  劍橋大學(xué)設(shè)計的蛛絲纖維是由一種“水凝膠”糊狀材料“紡”制而來。這種水凝膠98% 的成分是水，其余2%則是由自然界天然存在的硅和纖維素制成，兩者通過分子“手銬”（被稱為瓜環(huán)）被鎖定在一起，形成納米籠狀超分子。由于不同官能團(tuán)之間的共價鍵作用，超分子形成長鏈，凝膠中可抽取出超長的纖維，其直徑僅幾微米。纖維被抽取出來約30秒后，分子籠中的水分蒸發(fā)，僅剩下既有彈性又有高強(qiáng)度的纖維。

  Darshil U. Shah博士介紹稱，“我們制造的纖維抗拉強(qiáng)度約在100~150兆帕之間，雖然還不能和最強(qiáng)韌的蜘蛛絲相比，但這一強(qiáng)度與天然蠶絲及其他普通合成纖維相當(dāng)。而且，我們的纖維是無毒的，制造過程中消耗的能量也很少。”

  這種纖維能夠在室溫下自組裝，通過超分子各組分間的共價鍵（相鄰原子共享電子）結(jié)合成鏈。論文第一作者、劍橋大學(xué)化學(xué)系博士生吳玉超表示，“這些纖維在不同尺度上存在不同的作用力，使超分子緊密結(jié)合在一起。”

  通過這種方法制造的人造蛛絲強(qiáng)度超過纖維素基粘膠及人造絲等合成纖維，以及人或動物毛發(fā)等天然纖維。

  除了具有高強(qiáng)度之外，這種人造纖維還具有很高的阻尼，這意味著它們可以像蹦極索一樣吸收大量的能量。研究人員發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，這些人造纖維的阻尼甚至超過了天然絲綢。

  Darshil U. Shah表示，這種纖維制造方法可以替代目前多種人造纖維制造方法。研究人員計劃進(jìn)一步探索纖維的化學(xué)特性，利用類似方法制造紗線和編織纖維。

  本項研究是劍橋大學(xué)化學(xué)系梅爾維爾高分子合成實驗室與建筑系國家材料創(chuàng)新中心協(xié)同創(chuàng)新的結(jié)果。這兩個機(jī)構(gòu)都希望能從自然界的材料和制造過程中汲取靈感，在不同尺度和學(xué)科中借鑒自然界特殊的設(shè)計。

  本項研究獲得了英國工程與物理科學(xué)研究理事會（EPSRC）和利弗休姆信托基金的資助。

  論文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2017/07/05/1705380114