我国新材料突破：国产超强蚕丝，超越所有天然蜘蛛丝

喜讯快报
北京时间10月7日，一项最新研究发表在《Matter》上：中国天津大学的研究团队找到一种策略，实现蚕丝的强度能比蜘蛛丝高出70%！彻底颠覆蚕丝不能超越蜘蛛丝的观点，也为人类合理利用并大规模生产高性能丝基材料指明新的方向。

蜘蛛侠图片

前 言

6 \: f7 q& j: \* A6 j: f3 m& \一说到丝，尤其是生物蛋白丝，两样东西就没法避开，一个是我国常见常用的蚕丝，另一个则是蜘蛛丝，前者自我国农耕文化文明以来，一直伴随着中华文化的经典丝绸产品而享誉全球；后者不但受到蜘蛛侠电影美誉远扬，同时其自身原本就是生物界中翘楚，有一直被模仿从未被超越的荣耀光环。遗憾的是，蜘蛛这种动物实在太特立独行，想让它像蚕一样为人类干活，真没门！！人类只好通过其它办法或路径来进行突破。
蛋白丝的科学知识
# N# _0 |4 J+ d商用蚕丝的拉伸强度为0.5 GPa，断裂伸长率为15%，断裂能为62104 Jkg -1，而蜘蛛丝的拉伸强度高达1.3 GPa, 断裂伸长率为40%，断裂能为162104 Jkg -1；可能大家对这些数据还是没有感觉，经过科学实验证明，蜘蛛丝这种看似比人类头发丝还薄一万倍的材料，其强度竟然是钢材的五倍！！由此导致目前存在的一些高科技纤维，如凯夫拉纤维或者碳纤维，这些都是在模仿蜘蛛丝的人工纤维，已经被广泛应用于航空、纺织业、医药行业乃至军工行业，就算是这些大名鼎鼎的材料名称，韧性与弹性上，相比于蜘蛛丝还是稍逊一筹！！

中国蚕丝材料的突破之路
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• 2002年8月15日，《Nature》期刊上的研究表明：复旦大学高分子科学系邵正中教授关于蚕丝的研究成果：蚕丝简单拉一拉，强度可以媲美蛛丝！这次是在工艺上的优化，利用蚕丝工艺中的二次纺丝过程中，通过调节纺丝速度来调节蚕丝制品的力学性能。
  
• 2019年，我国南开大学药物化学生物学国家重点实验室、药学院、功能高分子教育部重点实验室刘遵峰教授研究团队使用水凝胶纤维由聚丙烯制成了超强强度和韧性的“人造蜘蛛丝”，该成果的论文已经发表于《自然-通讯》期刊。团队发现并制造的人造蜘蛛丝，基本接近天然蛛丝的力学性能，其拉伸强度可达895MPa，拉伸延展性可达44.3%，模量高达28.7GPa，韧性也达到370MJm-3，阻尼效率达到95%左右。
  

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发表在自然通讯杂志上的人造蜘蛛丝

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• 2020年，《自然通讯》期刊上，维尔茨堡大学生物技术与生物物理系的讲师Hannes Neuweiler领导的一项实验，结果发现：蜘蛛丝的蛋白质结构域中含有天然的甲硫氨酸，使蛋白质具有可塑性，能从基础上增加蛋白质结构域之间的结合强度。
  
• 2022年10月7日，《Matter》期刊上，中国天津大学生命科学学院林志教授和袁文苏教授领导的研究团队再次创造奇迹，使得蚕丝的强度能比天然蜘蛛丝高出70%。其拉伸强度达到了约2.0GPa，其平均杨氏模量约43GPa，大大高于所有已知的天然丝，自然包括蜘蛛丝！
  

发表在matter期刊上的论文

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蚕丝生产工艺简图

% m  z- R  C( f) W; J桑蚕纤维蛋白基本结构中，包括一条390 kDa的重链、一条26 kDa的轻链和一条25 kDa的糖蛋白P25，通过二硫键的重链和轻链，以摩尔比为6:6:1的非共价相互作用与P25结合。
为获得高强度与韧性的蚕丝，首先通过脱胶和溶解过程再生丝素蛋白。为避免原来工艺流程的脱胶过程容易导致肽和分子间二硫键的断裂，产生很多纤维链末端，为此，科研团队采用特定化学试剂或蛋白水解酶适当控制脱胶温度和时间，从而实现最小降解的最佳脱胶比率。接下来的流程中，研究团队采用在金属锌离子凝固浴，使用再生蚕丝纤维纺制形成超强的丝纤维。类似锌离子溶液原理，也被我国造成行业试验过，制造出“钢纸”。最终结果非常明显：这种人造丝的拉伸强度达到了约2.0GPa！

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蚕丝

感言

• 一款基础材料的突破，并实现产业应用时，往往带来的是整个产业的新发展赛道，正是我国科研工作者前赴后继的努力，才导致祖国的科研事业欣欣向荣蓬勃发展。
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• 在化工产业上延伸人造纤维道路上，已经实现凯夫拉纤维（军用防弹衣）或者碳纤维（航空航天、精细化工等）的突破，这项新科技工艺的出现，又将为我国传统的古老丝绸文化工艺带来新发展的曙光。
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参考资料
$ N3 j% ^$ }  r7 Q8 nhttps://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00517-3?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2590238522005173%3Fshowall%3Dtrue
https://www.toutiao.com/article/7152120400938598947/?channel=&source=search_tab
- E/ [) x% U$ I8 \' c9 H7 g* ]4 ]2 jhttp://news.tju.edu.cn/info/1003/62781.htm