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用碳纳米管和石墨烯喂蚕,能吐出超级蚕丝么?

时间: 2016年10月20日 | 作者: Prachi Patel | 来源: 环球科学
用碳材料加强过的蚕丝不仅更加强韧,还具备了导电能力。


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丝绸,不仅是光泽华美的服装材料,而且非常强韧。研究人员日前报道了一种能够让丝线更加强韧的新方法:给蚕喂食石墨烯和单壁碳纳米管(Nano Lett. 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03597)。他们说,这种升级版蚕丝可以用于制造耐用防护性面料、可生物降解的医用植入物和环保型可穿戴电子设备。

 

在先前的研究中,研究人员用添加剂处理已纺好的蚕丝或者直接用添加剂饲喂桑蚕,来制备升级版“丝绸”。这些添加剂包括:染料、抗菌剂、导电聚合物和纳米粒子。桑蚕,是以桑叶为食的蚕蛾的幼虫,利用唾液腺中产生的丝蛋白溶液来吐丝结茧。

 

为了制造“碳加强版”蚕丝,清华大学的张莹莹教授和同事给桑蚕喂食喷洒了质量分数为0.2%的碳纳米管或石墨烯水溶液的桑叶,待其结茧后,用标准丝绸生产方法收集蚕丝。对于已纺织好的丝绸,若要提升性能,需要将纳米材料溶解于有毒化学溶剂中,并用其处理丝绸。与这种加工方法相比,喂食的方法更加简单,也更加环保。

 

与普通蚕丝相比,这种“碳加强版”蚕丝的强度和韧性提升了一倍,同时也能在断裂前多承受50%的拉力。张莹莹研究团队将蚕丝纤维加热到1050 °C来碳化丝蛋白,研究其结构和导电性能。与普通蚕丝不同的是,改良后的蚕丝能够导电。拉曼光谱和电子显微成像的结果显示,这种“碳加强版”蚕丝纤维包含更加有序的晶体结构,这可能是因其含有纳米材料的缘故。

 

但这种改进依然存在一些待解决的问题。一个是桑蚕是如何将纳米材料结合到它们吐出的丝中。另一个则是在被桑蚕吃下的纳米材料中,有多少真正转化到了蚕丝中,而不是被排泄、分泌或代谢出来。张莹莹说,可能是由于纳米粒子的含量太低,因此在这种丝的横截面上几乎看不见碳材料的踪迹,而回答这些问题还需要生物学家们的不懈努力。

 

东华大学高分子系沈青教授在2014年报道了一项类似的工作,他给桑蚕喂食直径30纳米宽的多壁碳纳米管,这同样提升了蚕丝纤维的强度和韧性(Mater. Sci. Eng., C 2014, DOI:10.1016/j.msec.2013.09.041)。张莹莹说,其团队使用的直径更小的、1到2纳米宽的单壁碳纳米管“更适于整合到丝蛋白的晶体结构中”。

 

这项研究给工业界提供了一种“大规模生产高强度蚕丝纤维的简单方法”,东华大学材料学院张耀鹏研究员说,他曾给桑蚕喂食二氧化钛纳米颗粒以制造能抵抗紫外线照射降解的超强蚕丝。他说,这种“碳加强版”蚕丝的导电性能或许能令它适用于制造嵌入式智能纺织品传感器,并读取神经信号。

 

作者:Prachi Patel

翻译:秦琪凯

审校:程翔

 

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/silkworms-spin-super-silk-after-eating-carbon-nanotubes-and-graphene/


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