研究人員最初的發(fā)現(xiàn)似乎是自相矛盾的，因為大多數(shù)其他聚合物纖維在寒冷中都會脆化。但經(jīng)過多年的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)蠶絲的低溫韌性是基于其納米級的纖維。

亞微觀秩序和層次使絲綢能夠承受零下200攝氏度的溫度，甚至可能更低，這將使這些經(jīng)典的天然奢侈纖維，是成為在寒冷外層空間深處應(yīng)用的理想選擇。這個跨學(xué)科團(tuán)隊研究了幾種動物絲的行為和功能，這些動物絲被冷卻到-196℃的液氮溫度。

這些纖維包括蜘蛛絲，但研究集中在野生家蠶柞蠶(Antheraea Pernyi)的較厚和更多商業(yè)纖維上?，F(xiàn)在表在《材料化學(xué)前沿》期刊上發(fā)表的研究中，該團(tuán)隊不僅能夠證明“那個”，而且能夠證明“如何”在大多數(shù)材料變得非常脆的情況下，絲綢會增加其韌性。事實上，絲綢似乎與聚合物科學(xué)的基本理解相矛盾，因為在真正寒冷的條件下，通過變得更堅固和更具伸縮性，絲綢不僅不會失去質(zhì)量，反而會獲得質(zhì)量。這項研究研究了“如何”并解釋了“為什么”。

事實證明，潛在過程依賴于許多納米大小的原纖維，這些纖維構(gòu)成了絲綢纖維的核心。與傳統(tǒng)聚合物理論相一致，這項研究表明，隨著溫度的降低，單個原纖維確實會變得更硬。這項研究的新穎性和重要性在于得出這樣的結(jié)論：這種硬化導(dǎo)致摩擦力增加。這種摩擦反過來又增加了裂紋能量的轉(zhuǎn)移，同時也抵抗了原纖維的滑移。溫度的變化也會調(diào)節(jié)單個絲蛋白分子之間的吸引力，進(jìn)而影響每個由數(shù)千個分子組成的纖維核心特性。

重要的是，該研究能夠在微米和納米級別上描述增韌過程。該團(tuán)隊的結(jié)論是：任何撕裂材料的裂縫在每次撞擊納米纖維時都會被轉(zhuǎn)移，迫使它在不得不需要在許多彎路中失去更多能量。因此，絲綢纖維只有在成百上千的納米原纖維首先拉伸，然后滑動，然后所有的納米原纖維都單獨(dú)斷裂時才會斷裂。這一發(fā)現(xiàn)正在突破邊界，因為它在概念上困難和技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域中研究了一種材料，不僅跨越了微米和納米尺度，而且還必須在遠(yuǎn)低于任何深冰柜的溫度下進(jìn)行研究。

所研究的鱗片尺寸范圍從纖維的微米尺寸到長絲束的亞微米尺寸，再到原纖維的納米尺度，最后但并非最不重要的是超分子結(jié)構(gòu)和單分子水平。在尖端科學(xué)和未來應(yīng)用的背景下，值得記住的是，絲綢不僅是100%的生物纖維，而且是具有數(shù)千年研發(fā)歷史的農(nóng)產(chǎn)品。這項研究似乎具有深遠(yuǎn)的意義，因為它提出了一系列新的絲綢應(yīng)用，從在地球兩極地區(qū)使用的新材料，到在海峽和中觀球體飛行的輕型飛機(jī)和風(fēng)箏的新型復(fù)合材料，甚至可能是機(jī)器人蜘蛛織成的巨型網(wǎng)，以捕獲太空中垃圾。

牛津大學(xué)動物系的Fritz Vollrath教授說：預(yù)計這項研究將導(dǎo)致設(shè)計和制造新的堅韌結(jié)構(gòu)長絲和復(fù)合材料家族，使用天然和絲綢長絲在太空等極端寒冷的條件下應(yīng)用。來自上海復(fù)旦大學(xué)大分子科學(xué)系的邵正中教授說：我們的結(jié)論是，蠶絲纖維在低溫下的優(yōu)異機(jī)械韌性來自其高度取向和取向，相對獨(dú)立和可延伸的納米原纖維形態(tài)。北京航空航天大學(xué)的Juan Guan博士說：這項研究為我們對天然高性能材料的結(jié)構(gòu)，性能關(guān)系的理解提供了新見解，希望這能促使制造出適用于低溫和高沖擊應(yīng)用的人造聚合物和復(fù)合材料。

謝菲爾德大學(xué)的克里斯·霍蘭德博士表示：天然絲綢繼續(xù)證明自己是纖維生產(chǎn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)材料。霍蘭德博士是全歐洲研究聯(lián)盟(Research Consortium)的領(lǐng)導(dǎo)者，該聯(lián)盟基于對天然絲綢紡紗的洞察力，致力于研究新穎、可持續(xù)的生物纖維。這項研究表明，絲綢成功的秘訣不僅在于化學(xué)，還在于絲綢是如何紡成的，因此，絲綢的結(jié)構(gòu)也是如此。這項研究的下一步將進(jìn)一步測試這些驚人的特性，正在探索紡絲蛋白蜘蛛的方法，并專注于復(fù)制捆綁原纖維的亞微米結(jié)構(gòu)。

博科園｜研究/來自：牛津大學(xué)

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