如何制造高强度纳米管？让蜘蛛吃掉原材料来吐丝

当蜘蛛被用来在网的外围制作牵引线时，它们就更令人惊奇了。它的抗拉强度相当于高级合金钢，但密度只有它的六分之一。而且，延展性特别好，有时可以是原来的五倍。这种强度和延展性的结合使得蜘蛛丝非常坚韧，与凯夫拉尔等新型碳纤维相匹配。

因此，如果蜘蛛丝能变得更强，无疑将是一项重大的科学成就。这是意大利特伦托大学的艾米利亚诺·莱波尔和他的几个朋友对蜘蛛的研究。

这些人想出了一种方法，将纳米管、石墨烯和蜘蛛丝融合在一起，形成一种比任何现有材料都更加柔韧的新材料。这样生产的材料有几个特点。它的断裂强度、杨氏模量和弹性模量高于任何测量值。

团队使用的方法相对简单。他们使用了从意大利农村收集的15种蜘蛛来控制它们在实验室的繁殖。他们收集了这些蜘蛛的牵引丝作为参考样本。

然后，他们开始用一种简单而巧妙的方法将石墨烯和纳米管结合到蜘蛛丝中——向蜘蛛喷洒含有这些物质的水。然后收集蜘蛛丝并测量其力学性能。

对于每一股，他们将它固定在两个C形纸板上，并将其放入测量装置中，测量精度为15纳米牛顿，位移为0.1纳米。

莱波尔和他的同伴们对结果的测量如下:“我们测量到，熔融蜘蛛丝的断裂强度达到5.4兆帕，杨氏模量达到47.8兆帕，弹性模量为2.1兆帕。这是纤维的最高弹性模量，比今天合成的高性能纤维更强。”

这一努力给我们提出了一些有趣的问题。首先，尚不清楚蜘蛛是如何将纳米管和石墨烯吸收到蜘蛛丝中的。他们试图用光谱分析来证明蜘蛛丝含有碳物质，但无法证明它是如何结合的。

一种可能性是，当蜘蛛变成丝时，它会被涂上一层碳材料。尽管他们不能排除这种可能性，但他们认为这是不可能的，因为如果是这样的结构，他们就不会测量结果。他们认为，如果仅将涂层涂覆到表面，将不会观察到明显的强化效果。

莱波尔的团队说，更有可能的是，蜘蛛吸收含碳物质的水，当它们在胃里变成丝的时候，就把它们融入蜘蛛丝中。因此，石墨烯和纳米管进入每根蜘蛛丝纤维的中间，在那里它们对纤维强度的影响最大。他们甚至模拟了中间有碳纤维的蜘蛛丝的分子结构，并表示模拟产品的力学性能与实验结果一致。

然而，蜘蛛丝作为材料的使用在未来仍然面临挑战。到目前为止，还没有人找到收获蜘蛛丝的有效方法，但是有些人已经尝试过了。如果大规模收集蜘蛛丝的方法能够在未来得到发展并应用于工业发展，它可能会广泛应用于组织修复和服装设计。

这不是研究人员第一次试图改变蜘蛛丝的结构。之前，不同的团队将蜘蛛丝放入适当的蒸汽中，在蜘蛛丝中加入金属元素。虽然这也大大增加了蜘蛛丝的强度和柔韧性，但效果不如乐宝。

莱波尔团队的成果给学术界带来了非同寻常的影响。蜘蛛丝本身具有特殊的性能，这是4亿年进化的结果。在此基础上，莱波尔做出了如此大的改进，这显然会给学者们一些启示。这次采用的技术灵感非常简单，而且它还表明，也许类似的方法对其他生物也是可行的。他们说:“这种强化方法也可以应用到其他植物和动物身上，产生一种新的仿生材料。”