想成为蜘蛛侠？中国科学家造出了它的丝

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在最近发表在《自然通讯》杂志上的一篇文章中，南开大学的刘遵峰教授领导的一个研究小组用一种非常简单的方法成功地用水凝胶纤维制备了人造蜘蛛丝，达到了与天然蜘蛛丝几乎相同的机械性能。

蜘蛛丝一挥手，就断裂了。什么使它成为最强的材料？

在现实生活中，蜘蛛丝突然断裂的最根本原因是它太薄了。蜘蛛丝实际上具有极其独特的机械性能。

非常高的抗拉强度。抗拉强度是指材料在拉伸条件下的最大承载能力。蜘蛛丝的抗拉强度(高达1.4 GPa)相当于高级合金钢(0.42 GPa)，甚至可以达到芳纶纤维的一半，如凯夫拉纤维(3 GPa)。然而，丝或凯夫拉纤维几乎是不可拉伸的，而蜘蛛丝在自然状态下可拉伸其自身长度的40%，在高湿度环境下可拉伸其自身长度的5倍。

蜘蛛丝拉伸后几乎不反弹。这使得蜘蛛丝在拉伸过程中吸收大量能量，其韧性(表明材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力)平均为350兆焦耳/立方米，即每立方米吸收的能量达到350兆焦耳，比钢或芳纶纤维高几个数量级。韧性越好，发生脆性断裂的可能性就越小。除了不反弹之外，当蜘蛛被悬挂时，你几乎看不到它在旋转，这意味着蜘蛛丝也能吸收扭转旋转的能量。最后，蜘蛛丝在拉伸后暴露在湿气或水中时会恢复到原来的长度。这使得它在被来袭的猎物击中和拉伸后可以自动修复和重复使用。

左边是水凝胶纤维，右边是棉线。在盘旋后，棉线会不断转动，而水凝胶纤维不会。

如何用人工方法制备蜘蛛丝？

人们试图用丝蛋白来制造人造蜘蛛丝，并取得了一些成功。例如，科学家试图用丝蛋白直接纺人造蜘蛛丝。然而，由于蜘蛛的同类相食，它们不能像蚕一样容易地大规模饲养，并且很难扩大通过其他方法获得的蜘蛛丝蛋白。然而，用合成方法制备蜘蛛丝仍然是一个难题。

在研究聚丙烯酸水凝胶纤维的过程中，南开大学刘遵峰的研究小组发现，该纤维拉伸后不易回弹，并且其力学性能非常强，很容易达到数百兆帕。这种表演就像蜘蛛丝。因此，该团队对水凝胶纤维进行了更详细的研究，并开发了超强人造蜘蛛丝。

水凝胶纤维由聚丙烯酸制成。聚丙烯酸具有核-鞘结构，通过掺杂二价离子并扭转得到一定的扭转，其强度大大提高。纤维的拉伸强度可达0.89 GPa，拉伸长度可达自然长度的44.3%，模量(在胡克定律适用范围内，单轴应力与单轴变形之比)可达28.7 GPa，韧性可达370 MJ·m-3，阻尼效率(即加载过程中的能量损失与总能量之比)可达95%。

人造蜘蛛丝绳索具有巨大的应用潜力。

在实验中，研究人员用“人造蜘蛛丝”制成的“球拍”在金属重物下落时起到很好的缓冲作用。同时，在湿度增加的情况下，它会慢慢恢复到原来的形状。

在另一个捕捉蛋的实验中，让蛋以一定的速度落下，观察不同材料网的结果。水凝胶网发生塑性变形，鸡蛋被安全捕获，没有破裂。

棉线网被太多的撞击打破了。

松紧带网太有弹性，鸡蛋被弹了出来。

该人造蜘蛛丝水凝胶纤维具有较好的减震效果，可用作火灾逃生或其他高空坠落的缓冲工具。它的强度很高，所以不容易折断。同时，具有较好的拉伸效果，可以增加负重时间，减少整个下落过程中的冲击力。因此，由人造蜘蛛丝制成的绳索实现了缓慢下降和自救。这种特殊的绳子可以承受人体的重量，拉伸缓慢，不会像橡皮筋一样弹。这大大降低了人体或物体下降的速度，从而起到缓冲作用。

水凝胶纤维人造蜘蛛丝可以大量生产吗？

水凝胶纤维是用化学合成法制备水凝胶溶液，然后用直接纺丝法纺成丝。该方法易于实现大规模生产，成本相对较低。