改造天然蚕丝 就能做出强度匹敌蜘蛛丝的新型纤维

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尽管人们做了很多努力，但是人造纤维的强度仍然无法匹及天然纤维的强度。

近日，美国科学家利用天然丝纤维为原料，成功制备出比天然丝纤维硬几倍的新材料，而且形状和结构复杂多样。他们把这种新材料称为“再生丝纤维（RSF）”。研究成果发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，由麻省理工学院和塔夫斯大学的研究人员合作完成。

天然丝纤维是指由蚕、蜘蛛等昆虫分泌出来的天然蛋白纤维。蜘蛛丝是已知的最硬材料之一。但是蜘蛛具有同类相食的个性，无法高密度养殖，而蚕就能很好地解决这一问题，产出大量的纤维。一直以来，很多研究人员都尝试制备纯合成的丝，但是产物强度都不如天然丝纤维。因此，Buehler 团队开发了一种新方法，既利用天然蚕丝本身的优良特性，又可增大其强度，而且可获得天然蚕丝无法形成的各种新颖形状和结构。

他们以天然蚕丝作为基础原料，先将其破坏，然后再重组得到再生丝纤维。

该方法的关键在于部分程度地破坏天然蚕丝。他们把蚕茧溶解，但并不打破分子结构，而是获得微纤维形成的中间体。这些小型的丝状中间体保留了重要的分级结构，而正是这些结构赋予了蚕丝高的强度。

Buehler 是土木与环境工程系的主任，他把这种天然材料的再循环利用比喻成旧砖房的拆卸，但不是把房子拆成一堆碎石，而是把每块砖都完整地拆下来，然后再用它们去建造新结构。他表示，“正是天然材料的利用，才成就了再生丝纤维独特的强度和伸展性能。我们利用的是自然的力量。”

制备得到的再生丝纤维，比传统的丝纤维硬 2 倍，其硬度接近蜘蛛牵丝的硬度。

研究人员能够制备天然丝无法复制的各种形状，比如网状物、管状物、比天然丝更厚的纤维、线圈及片材等。这些不同形状可以利用一种适用于丝溶液的 3D 打印系统来制备。研究人员表示，可利用传统的制备方法制备再生丝纤维，很容易实现规模化生产，并且通过改变挤压速度可调控丝纤维的性能。

尽管丝线和丝织品价格贵，但是这种再生丝纤维的成本主要来自于人力，因为从蚕茧中把丝拆出，然后再编织都属于劳动密集型作业。实际上，蚕和蚕茧的获取成本是比较低的。未处理的大批量蚕茧成为只要 5 美元/公斤。

这项研究为新型的织物材料和功能性复合材料奠定了基础，而且未来应用广泛，比如新一代纺织物和生物传感器等。比如，丝是一种天然的生物兼容性材料，在人体内不会引起任何不良反应，所以这种新材料适合用作医用缝合线或者脚手架等生物材料。

另外，再生丝纤维对湿度比较敏感，并且添加碳纳米管等负极材料涂层就可制成导体。这样就可以应用在各种敏感元件中，比如对指尖压力或者环境中的变化做出响应。例如，一个可能的应用就是可用作医护设备的床单。通过监测压力，当病人躺在同一位置太长时间的情况下自动提醒护理人员，从而帮助避免褥疮。这样的应用可以快速地付诸实施，并不存在障碍。