盡管人們做了很多努力，但是人造纖維的強(qiáng)度仍然無法匹及天然纖維的強(qiáng)度。
近日，美國科學(xué)家利用天然絲纖維為原料，成功制備出比天然絲纖維硬幾倍的新材料，而且形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。他們把這種新材料稱為“再生絲纖維（RSF）”。研究成果發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上，由麻省理工學(xué)院和塔夫斯大學(xué)的研究人員合作完成。
天然絲纖維是指由蠶、蜘蛛等昆蟲分泌出來的天然蛋白纖維。蜘蛛絲是已知的最硬材料之一。但是蜘蛛具有同類相食的個(gè)性，無法高密度養(yǎng)殖，而蠶就能很好地解決這一問題，產(chǎn)出大量的纖維。一直以來，很多研究人員都嘗試制備純合成的絲，但是產(chǎn)物強(qiáng)度都不如天然絲纖維。因此，Buehler 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，既利用天然蠶絲本身的優(yōu)良特性，又可增大其強(qiáng)度，而且可獲得天然蠶絲無法形成的各種新穎形狀和結(jié)構(gòu)。
他們以天然蠶絲作為基礎(chǔ)原料，先將其破壞，然后再重組得到再生絲纖維。
該方法的關(guān)鍵在于部分程度地破壞天然蠶絲。他們把蠶繭溶解，但并不打破分子結(jié)構(gòu)，而是獲得微纖維形成的中間體。這些小型的絲狀中間體保留了重要的分級結(jié)構(gòu)，而正是這些結(jié)構(gòu)賦予了蠶絲高的強(qiáng)度。Buehler 是土木與環(huán)境工程系的主任，他把這種天然材料的再循環(huán)利用比喻成舊磚房的拆卸，但不是把房子拆成一堆碎石，而是把每塊磚都完整地拆下來，然后再用它們?nèi)ソㄔ煨陆Y(jié)構(gòu)。他表示，“正是天然材料的利用，才成就了再生絲纖維獨(dú)特的強(qiáng)度和伸展性能。我們利用的是自然的力量。”
制備得到的再生絲纖維，比傳統(tǒng)的絲纖維硬 2 倍，其硬度接近蜘蛛牽絲的硬度。
研究人員能夠制備天然絲無法復(fù)制的各種形狀，比如網(wǎng)狀物、管狀物、比天然絲更厚的纖維、線圈及片材等。這些不同形狀可以利用一種適用于絲溶液的 3D 打印系統(tǒng)來制備。研究人員表示，可利用傳統(tǒng)的制備方法制備再生絲纖維，很容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，并且通過改變擠壓速度可調(diào)控絲纖維的性能。
盡管絲線和絲織品價(jià)格貴，但是這種再生絲纖維的成本主要來自于人力，因?yàn)閺男Q繭中把絲拆出，然后再編織都屬于勞動(dòng)密集型作業(yè)。實(shí)際上，蠶和蠶繭的獲取成本是比較低的。未處理的大批量蠶繭成為只要 5 美元/公斤。
這項(xiàng)研究為新型的織物材料和功能性復(fù)合材料奠定了基礎(chǔ)，而且未來應(yīng)用廣泛，比如新一代紡織物和生物傳感器等。比如，絲是一種天然的生物兼容性材料，在人體內(nèi)不會引起任何不良反應(yīng)，所以這種新材料適合用作醫(yī)用縫合線或者腳手架等生物材料。
另外，再生絲纖維對濕度比較敏感，并且添加碳納米管等負(fù)極材料涂層就可制成導(dǎo)體。這樣就可以應(yīng)用在各種敏感元件中，比如對指尖壓力或者環(huán)境中的變化做出響應(yīng)。例如，一個(gè)可能的應(yīng)用就是可用作醫(yī)護(hù)設(shè)備的床單。通過監(jiān)測壓力，當(dāng)病人躺在同一位置太長時(shí)間的情況下自動(dòng)提醒護(hù)理人員，從而幫助避免褥瘡。這樣的應(yīng)用可以快速地付諸實(shí)施，并不存在障礙。
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