受蜘蛛侠启发，研究人员重现蛛网吊索技术

Josiah02 · 发表于 2024-10-11 15:12:42

每一个看过漫画书或蜘蛛侠电影的孩子都曾试图想象从手腕射出蛛丝、飞过街道、制服恶棍的感觉。塔夫茨大学的研究人员认真对待了这些想象中的场景，并发明了第一种蛛丝发射技术，其中流体材料可以从针头射出，立即凝固成丝，并粘附和举起物体。
该研究发表在《先进功能材料》杂志上。
这些粘性纤维由塔夫茨大学丝绸实验室制造，取自蚕蛾茧，蚕蛾茧在溶液中煮沸后分解成其基本蛋白质，即丝素蛋白。丝素蛋白溶液可通过细孔针挤出形成流，加入适当的添加剂后，暴露在空气中凝固成纤维。
当然，将丝纤维用于系绳、网和茧的最初灵感来自大自然。蜘蛛、蚂蚁、黄蜂、蜜蜂、蝴蝶、飞蛾、甲虫，甚至苍蝇都可以在其生命周期的某个阶段产生丝。
大自然还启发了丝素实验室率先使用丝素蛋白制造可在水下使用的强力胶水、可应用于几乎任何表面的可打印传感器、可延长农产品保质期的可食用涂层、可显著提高太阳能电池效率的集光材料，以及更可持续的微芯片制造方法
然而，尽管研究人员在丝基材料方面取得了重大进展，但他们尚未复制蜘蛛的控制能力，即控制其吐丝的硬度、弹性和粘合性。
这项突破纯属偶然。塔夫茨大学研究助理教授 Marco Lo Presti 表示：“我当时正在研究一个使用丝素蛋白制作超强粘合剂的项目，当我用丙酮清洁玻璃器皿时，我注意到玻璃底部形成了一种网状物质。”
这一意外发现克服了复制蜘蛛丝的几个工程难题。丝素蛋白溶液在暴露于乙醇或丙酮等有机溶剂时，可以在数小时内缓慢形成半固体水凝胶，但用于制造粘合剂的多巴胺的存在使固化过程几乎立即发生。
当有机溶剂清洗液快速混合时，丝绸溶液会迅速形成具有高抗拉强度和粘性的纤维。多巴胺及其聚合物采用与藤壶相同的化学反应，形成能牢牢粘附在表面的纤维。
下一步是在空气中纺丝。研究人员将多巴胺添加到丝素蛋白溶液中，多巴胺似乎能通过从丝中吸走水分来加速从液体到固体的转变。当通过同轴针头注射时，一股细丝溶液被一层丙酮包围，从而引发凝固。
丙酮在半空中蒸发，使纤维附着在它接触的任何物体上。研究人员用壳聚糖（一种昆虫外骨骼的衍生物）和硼酸盐缓冲液增强了丝素蛋白-多巴胺溶液，壳聚糖使纤维的抗拉强度提高了 200 倍，硼酸盐缓冲液使纤维的粘附性提高了约 18 倍。
纤维的直径可以从人类头发的直径到大约半毫米不等，具体取决于针的孔径。
该装置可以发射纤维，在各种条件下，这些纤维可以拾起超过自身重量 80 倍的物体。研究人员通过从约 12 厘米的距离拾起蚕茧、钢螺栓、漂浮在水面上的实验室试管、部分埋在沙子中的手术刀和木块来证明这一点。
Lo Presti 指出：“如果你观察大自然，就会发现蜘蛛无法射出它们的网。它们通常从腺体中吐出丝，与表面进行物理接触，然后画出线来构造它们的网。我们正在展示一种从设备中射出纤维，然后从远处粘附并拾取物体的方法。与其说这项工作是一种仿生材料，不如说它是一种超级英雄启发的材料。”
天然蜘蛛丝的强度仍比本研究中的人造纤维高出约 1,000 倍。但只要再加一点想象力和工程技术，这项创新就会不断改进，为各种技术应用铺平道路。
“作为科学家和工程师，我们在想象和实践之间寻找平衡。所有的奇迹都发生在这个边界上，”塔夫茨大学 Frank C. Doble 工程学教授兼 Silklab 主任 Fiorenzo Omenetto 说道。
“我们可以从大自然中获得灵感。我们可以从漫画和科幻小说中获得灵感。在这种情况下，我们希望对我们的丝绸材料进行逆向工程，使其表现得像大自然最初设计的那样，就像漫画作家想象的那样。”

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