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人造蜘蛛丝完胜天然蜘蛛丝

科技日报记者 陈曦。人造然蜘

天然蜘蛛网上有两种蜘蛛丝,蜘蛛蛛丝一种是丝完胜天具有相当于高级合金钢抗拉强度的蜘蛛丝,即蜘蛛网上的人造然蜘经线,具有很高的蜘蛛蛛丝韧性。另一种是丝完胜天用来捕捉猎物的粘附蜘蛛丝,即蜘蛛网上的人造然蜘纬线。

南开大学教授刘遵峰、蜘蛛蛛丝中国科学院院士、丝完胜天东华大学教授朱美芳、人造然蜘中国药科大学副教授周翔组成的蜘蛛蛛丝联合团队开发了一种具有皮肤褶皱结构的人造蜘蛛丝,强度为1.61吉帕斯卡,丝完胜天韧性为466兆焦/立方米,人造然蜘超过了自然界中强度最高的蜘蛛蛛丝达尔文树皮蜘蛛。同时,丝完胜天联合团队开发了一种强度和韧性超过天然粘附型蜘蛛丝的仿生粘附型人造蜘蛛丝。这种人造蜘蛛丝还可以传输电信号,表现出类似神经元的功能,有望用于神经修复、植入式电极、人机交互等。国际期刊《先进材料》最近发表了这两项成果。

最强的人造蜘蛛丝刷新了世界纪录。

长期以来,制备人造蜘蛛丝的常用方法是用蜘蛛丝蛋白或重组蛋白纺丝,但其力学性能与天然蜘蛛丝相去甚远。“这是因为经过数亿年的进化,天然蜘蛛丝形成了精细独特的微纳多尺度结构。刘遵峰说,目前世界上报道的最高强度的天然蜘蛛是在马达加斯加岛发现的达尔文树皮蜘蛛,强度为1.6吉帕斯卡,韧性为350兆焦/立方米。

刘遵峰团队创新地提出采用独特的凝胶纺丝方法制备人造蜘蛛丝,近年来取得了一系列突破,不断将人造蜘蛛丝的性能提升到一个新的高度。例如,刘遵峰团队提出采用凝胶牵伸纺丝的方法,制备了具有扭曲核壳结构的人造蜘蛛丝,强度可达0.9吉帕斯卡,韧性可达370兆焦/立方米。

受自然界材料定位的启发,联合团队开发了一种表面有皮肤褶皱结构的人造蜘蛛丝。刘遵峰解释说,许多材料的方向(分子链、纳米纤维等)不均匀,如树木、皮肤、牙齿等,其核心层和表面的方向相互垂直。这有助于在提高水平方向强度的同时抵抗垂直方向的冲击,使具有这种结构的材料更加坚固。类皮肤的褶皱结构是将平行排列的结构制成褶皱形状,以提高不同方向的抗冲击性,使这种人造蜘蛛丝的强度达到1.61吉帕斯卡,韧性达到466兆焦/立方米。

仿生粘附型人造蜘蛛丝可传输生物电信号。

受生物体内神经元传输的启发,科学家们致力于在柔性电子、智能设备和神经态计算机领域开发人工神经纤维和设备。

蜘蛛的粘附蜘蛛丝具有高强度、高韧性和高粘附性。人们通过模仿附着蜘蛛丝的分子结构和纺丝工艺,开发出各种机械性能优异的水凝胶纤维。下一步,将粘附性和离子导电性引入水凝胶纤维中,人们可能会开发出具有优异粘附性、机械强度和信号传输功能的人工神经纤维。

“然而,如何在连续纺丝的基础上调整人工纤维分子之间的相互作用和分级结构,是实现力学性能与电学性能的良好结合的主要挑战。"朱美芳介绍。

基于PrDA水凝胶纤维,联合团队开发了一种可纺粘性导电人造蜘蛛丝材料,用于生物电信号传输。两性离子聚合物链之间的静电相互作用保证了对不同类型表面的牵引纺丝的优异能力、力学性能和粘附性能。同时,人造蜘蛛丝具有良好的离子导电性,是捕捉人体生物电信号并传输到检测仪器的理想界面材料。此外,利用人工突触晶体管构造人工蜘蛛丝,可实现拟神经信号的可控调节。未来可应用于生物电极、脑接口、可穿戴电子设备和神经态计算机。

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