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摘 要： 摘要 采用仿生學(xué)原理, 設(shè)計(jì)、 合成并制備新型仿生材料是近年來(lái)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域.天然蜘蛛絲是一種生物蛋白彈性體纖維, 具有高比強(qiáng)度 (約為鋼鐵的 5倍 ) 、 優(yōu)異彈性 ( 約為芳綸的 10倍 )和堅(jiān)韌性 ( 斷裂能為所有纖維中最高 ), 為自然界產(chǎn)生最好的結(jié)構(gòu)和功能材料之一,
摘要 采用仿生學(xué)原理, 設(shè)計(jì)、 合成并制備新型仿生材料是近年來(lái)快速發(fā)展的研究領(lǐng)域.天然蜘蛛絲是一種生物蛋白彈性體纖維, 具有高比強(qiáng)度 (約為鋼鐵的 5倍 ) 、 優(yōu)異彈性 ( 約為芳綸的 10倍 )和堅(jiān)韌性 ( 斷裂能為所有纖維中最高 ), 為自然界產(chǎn)生最好的結(jié)構(gòu)和功能材料之一, 它在航空航天、 軍事、 建筑及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景.受自然界蜘蛛絲啟發(fā), 天然蜘蛛絲仿生材料的研究迎來(lái)了機(jī)遇, 同時(shí)也給人們展示了許多新穎的仿生設(shè)計(jì)方法 .本文從不同仿生學(xué)角度綜述了天然蜘蛛絲仿生材料的發(fā)展, 并提出了一些看法和思考.
關(guān)鍵詞 仿生學(xué);仿生材料;天然蜘蛛絲;彈性體纖維;仿生設(shè)計(jì)
自然界的創(chuàng)造力總是令人驚奇, 天然生物材料經(jīng)歷幾十億年進(jìn)化, 大都具有最合理 、 最優(yōu)化的宏觀 、 細(xì)觀、 微觀復(fù)合完美的結(jié)構(gòu), 并具有自適應(yīng)性和自愈合能力, 如竹、 木、 骨骼和貝殼等.其組成簡(jiǎn)單, 通過(guò)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精細(xì)組合, 從而具有許多獨(dú)有的特點(diǎn)和最佳的綜合性能 [ 1 ～ 4] .
道法自然, 向自然界學(xué)習(xí), 采用仿生學(xué)原理, 設(shè)計(jì) 、合成并制備新型仿生材料, 是近年快速崛起和發(fā)展的研究領(lǐng)域, 并已成為材料、 化學(xué) 、 物理 、生物、 納米技術(shù)、 制造技術(shù)及信息技術(shù)等多學(xué)科交叉的前沿方向之一 [ 5 ～ 11] .
仿生學(xué)是模仿生物的科學(xué), 早在 1960年 9月 13日美國(guó)召開(kāi)第一次仿生學(xué)會(huì)上由 Steele等 [ 12] 提出 .仿生學(xué)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 性質(zhì) 、 原理 、行為及相互作用, 為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想 、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成 ;仿生材料指依據(jù)仿生學(xué)原理、 模仿生物各種特點(diǎn)或特性而制備的材料 ;材料仿生設(shè)計(jì)包括材料結(jié)構(gòu)仿生 、功能仿生和系統(tǒng)仿生 3個(gè)方面 [ 12 ～ 14] .
仿生材料的研究包括 3個(gè)階段:( 1) 對(duì)天然生物材料結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)和感知;( 2) 對(duì)天然生物材料性能的研究 ;( 3) 仿生設(shè)計(jì)新型材料.第一階段主要是從大自然中探求具有優(yōu)異獨(dú)特功能的天然生物材料作為研究對(duì)象, 從中尋求仿生材料的設(shè)計(jì)方法和靈感 ;第二階段則是探究天然生物材料結(jié)構(gòu)與功能形態(tài)之間的關(guān)系, 并結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征手段測(cè)定其性能參數(shù), 總結(jié)規(guī)律, 揭示其構(gòu)成機(jī)理和運(yùn)行機(jī)制 ;第三階段將深入到仿生學(xué)高度, 建立仿生材料創(chuàng)新技術(shù), 實(shí)現(xiàn)其仿生設(shè)計(jì)方法和理念, 由此研制新型仿生材料, 為人類所用 [ 15] .
1 天然蜘蛛絲結(jié)構(gòu) 、功能及應(yīng)用
天然蜘蛛絲是蜘蛛經(jīng)由其絲腺體分泌的一種天然蛋白生物材料, 屬于一種生物彈性體纖維, 它是自然界產(chǎn)生最好的結(jié)構(gòu)和功能材料之一.表 1列出了天然蜘蛛絲和其它幾種典型材料的力學(xué)性能, 通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn), 天然蜘蛛絲優(yōu)良的綜合性能, 特別是其高比強(qiáng)度 (約為鋼鐵的 5倍 ) 、 優(yōu)異彈性 (約為芳綸的 10倍 )和堅(jiān)韌性 (斷裂能 180 MJ/m 3為各材料中最高 )是其它天然纖維與合成纖維所無(wú)法比擬的 [ 16 ～ 20] .此外, 天然蜘蛛絲還顯示出特別的扭轉(zhuǎn)形狀記憶效應(yīng), 當(dāng)它被扭轉(zhuǎn)到其它準(zhǔn)平衡位置時(shí), 由于高阻尼效應(yīng), 它幾乎不振蕩, 并且不需要任何額外的刺激就能以指數(shù)方式完全恢復(fù)到其初始的狀態(tài), 從而有效防止懸掛在空中的蜘蛛轉(zhuǎn)動(dòng)搖擺 [ 21] .正是由于天然蜘蛛絲具有質(zhì)輕、 超堅(jiān)韌性 、 突出形狀記憶效應(yīng)及生物相容性好等特性, 因此, 它在航空航天 (如飛機(jī)和人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料、 復(fù)合材料, 宇航服裝 ) 、 軍事 (如坦克裝甲 、防彈衣 、 降落傘 ) 、 建筑 (如橋梁和高層建筑的結(jié)構(gòu)材料 ) 、 醫(yī)學(xué) (如人造關(guān)節(jié)、肌腱、 韌帶 )等領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.其實(shí), 早在 l709年就出現(xiàn)了人類利用天然蜘蛛絲的記載, 而且在第二次世界大戰(zhàn)時(shí), 天然蜘蛛絲曾被廣泛用作顯微鏡 、 望遠(yuǎn)鏡 、 槍炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等光學(xué)裝置的十字準(zhǔn)線 .天然蜘蛛絲已吸引了世界各國(guó)科學(xué)家的巨大興趣和廣泛關(guān)注 .
2 天然蜘蛛絲仿生學(xué)及仿生材料
由于蜘蛛屬肉食性動(dòng)物不喜歡群居, 當(dāng)幾只蜘蛛被放在一起時(shí), 它們之間往往會(huì)相互撕咬, 所以難以像養(yǎng)家蠶那樣大量飼養(yǎng)蜘蛛;而且, 蜘蛛本身存在很多絲腺器, 不同腺器產(chǎn)生的絲性能不同, 很難收集性能單一的絲 [ 19] .此外, 天然蜘蛛絲還難以直接加工成其它特定形狀以供不同用途所需.由于以上原因, 天然蜘蛛絲自身很難批量生產(chǎn), 其應(yīng)用范圍也受到了很大限制, 因此需要尋求新的方法和途徑, 以大量獲得具有天然蜘蛛絲相似結(jié)構(gòu)和功能的新材料 .因此利用仿生學(xué)原理, 在認(rèn)識(shí)天然蜘蛛絲結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì) 、 制備天然蜘蛛絲仿生材料, 具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值.
2.1 蛋白基因仿生生物表達(dá)法
20世紀(jì) 90年代初, Lewis等 [ 22]首先報(bào)道了源于 Nephilaclavipes蜘蛛絲蛋白兩種序列 (分別被稱為 MaSp1和 MaSp2)的部分 DNA片段, 由此揭開(kāi)了天然蜘蛛絲蛋白基因與結(jié)構(gòu)研究的序幕 .在獲取天然蜘蛛絲各種蛋白基因組成信息的基礎(chǔ)上, 科學(xué)家們開(kāi)始采用生物表達(dá)的方法, 即先構(gòu)建天然蜘蛛絲相應(yīng)的部分蛋白基因, 然后采用生物工程技術(shù)手段, 將這些蛋白基因寄托于某種生物載體 (如細(xì)菌 [ 23, 24] 、酵母 [ 25] 、 植物 [ 26] 、 哺乳動(dòng)物 [ 27] 、 昆蟲(chóng) [ 28] 等 )進(jìn)行表達(dá)并生產(chǎn), 從而獲得包含天然蜘蛛絲部分蛋白基因結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)原料, 最后, 將這些仿生蛋白原料加工成所需要的形態(tài) (如纖維 )進(jìn)行利用 (如 Nexia Biotechnologies公司通過(guò)哺乳動(dòng)物表達(dá)生產(chǎn)蛋白質(zhì), 經(jīng)過(guò)特殊的“紡線程序”, 紡出了重量輕 、強(qiáng)度高的纖維, 稱之為“生物鋼” ) .利用蛋白基因仿生生物表達(dá)法制備天然蜘蛛絲仿生材料研究得最多, 技術(shù)較成熟, 在一定程度上解決了天然蜘蛛絲難以批量生產(chǎn)的問(wèn)題, 同時(shí)也拓展了天然蜘蛛絲的應(yīng)用范圍, 從而大大促進(jìn)了天然蜘蛛絲仿生材料的發(fā)展 .但尋找一個(gè)合適的生物載體完全表達(dá)天然蜘蛛絲的系列重復(fù)結(jié)構(gòu), 還是一個(gè)巨大挑戰(zhàn) .該方法由于只能模擬天然蜘蛛絲蛋白的部分基因結(jié)構(gòu), 因此所獲天然蜘蛛絲仿生材料的綜合性能通常比天然蜘蛛絲差, 并且材料分離純化較復(fù)雜, 成本仍較高, 生產(chǎn)周期也較長(zhǎng), 產(chǎn)量還較小 [ 19, 29] .
2.2 鏈段及二次結(jié)構(gòu)仿生化學(xué)合成法
研究發(fā)現(xiàn), 天然蜘蛛絲蛋白實(shí)際上是一種由不同氨基酸單元 (主要為丙氨酸和甘氨酸單元 )組成的鏈段共聚物, 其二次結(jié)構(gòu)主要包括 β 折疊構(gòu)象和螺旋構(gòu)象 [ 30] .丙氨酸富集的鏈段易于形成 β折疊構(gòu)象, β折疊鏈通過(guò)氫鍵作用堆砌形成 β 折疊片納米晶分散在材料中, 從而提高天然蜘蛛絲的強(qiáng)度 ;而甘氨酸富集的鏈段易于形成螺旋構(gòu)象, 賦予天然蜘蛛絲優(yōu)良的彈性 [ 31 ～ 33] .基于對(duì)天然蜘蛛絲蛋白鏈段結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí), 人們采用化學(xué)合成的方法, 即模仿天然蜘蛛絲的鏈段結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu), 采用化學(xué)合成手段, 在分子主鏈或側(cè)鏈中引入 β 折疊片 [ 如聚 ( 丙氨酸 -甘氨酸 ) [ 34 ～ 36] 、 聚丙氨酸鏈段 [ 37 ～ 39] , 或者螺旋結(jié)構(gòu)—如聚 ( γ-苯甲基 -L-谷氨酸 )鏈段 [ 37] ], 最終合成出主鏈仿生鏈段共聚物或者側(cè)鏈仿生聚合物 .主鏈型仿生鏈段共聚物主要包括聚 ( γ-苯甲基-L-谷氨酸 ) -b-聚 (丙氨酸-甘氨酸 ) [ 37] 、聚 (乙二醇 ) -b-聚 (丙氨酸 ) [ 38] 、 聚 (羥基異戊二烯 ) -b-聚 (丙氨酸 ) [ 39] 、 1, 6-己二異氰酸酯擴(kuò)鏈的聚 (丙氨酸 )或聚 (丙氨酸-甘氨酸 ) [ 36]等 ;而側(cè)鏈型仿生聚合物則有聚 (甲基丙烯酸 ) -b-(丙氨酸-甘氨酸 ) [ 34] 及聚 (茂鐵硅烷 ) -b-(丙氨酸 -甘氨酸 ) [ 35] 等.通過(guò)鏈段及二次結(jié)構(gòu)仿生化學(xué)合成法, 從分子結(jié)構(gòu)出發(fā), 可以設(shè)計(jì)具有天然蜘蛛絲蛋白鏈段結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)類似的各種聚合物, 這為天然蜘蛛絲仿生材料的發(fā)展開(kāi)拓了一個(gè)嶄新方向, 也大大豐富了天然蜘蛛絲仿生材料的研究?jī)?nèi)容.但目前依據(jù)該方法設(shè)計(jì)仿生鏈段共聚物, 僅局限在模仿天然蜘蛛絲蛋白的部分氨基酸結(jié)構(gòu), 較少關(guān)注材料的宏觀性能 ;所得共聚物的分子量 (低于 5 ×10 4 )與天然蜘蛛絲蛋白的分子量 ( 2 ×10 5 ～ 7.5 ×10 5 ) [ 30, 40] 相比低很多, 導(dǎo)致最終合成的仿生材料性能和天然蜘蛛絲相差較大 .
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2.3 微觀結(jié)構(gòu)仿生物理復(fù)合法
從材料的微觀結(jié)構(gòu)分析, 天然蜘蛛絲具有軟段區(qū)域和硬段區(qū)域, 即無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)形成的微相分離結(jié)構(gòu), X射線衍射分析表明, 其結(jié)晶相區(qū)的典型尺寸為 ( 6 ±2) nm(透射掃描電鏡分析則為 70 ～ 500 nm), 即結(jié)晶相以納米晶的形式分散在無(wú)定形相中, 拉伸時(shí)沿軸向取向, 從而賦予天然蜘蛛絲高強(qiáng)度 [ 16, 41] .圖 1為天然蜘蛛絲典型的微觀結(jié)構(gòu) .鑒于此, 科學(xué)家們便模仿天然蜘蛛絲的微觀結(jié)構(gòu), 通過(guò)引入特殊的納米材料 (如碳納米管、 納米黏土等 )對(duì)聚合物 (如聚乙烯醇、 聚氨酯等 )進(jìn)行物理復(fù)合增強(qiáng), 從而制備所需要的天然蜘蛛絲仿生復(fù)合纖維或者復(fù)合材料 [ 42, 43] .通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)仿生物理復(fù)合法制備天然蜘蛛絲仿生材料, 其最大的優(yōu)點(diǎn)在于這些納米填料在起增強(qiáng)作用的同時(shí)還往往賦予材料特別的功能 (如電性能、 熱穩(wěn)定性 、 氣體阻隔性能等 ) ;值得注意的是, 納米材料的種類 、 表面修飾以及在聚合物材料中的分散是關(guān)鍵問(wèn)題, 也是一個(gè)難點(diǎn).例如, 為了獲得可以與天然蜘蛛絲性能相媲美的單壁碳納米管 /聚乙烯醇復(fù)合纖維 (強(qiáng)度 1.8 GPa、 模量 80 GPa、 伸長(zhǎng)率 100%、 斷裂能 600 J/g), 制備過(guò)程中需加入經(jīng)十二烷基硫酸鋰表面活性劑處理的 、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%的碳納米管, 需采用專門(mén)的共凝固紡絲技術(shù), 同時(shí)還需對(duì)纖維進(jìn)行多次拉伸處理 [ 44] ;而為了獲得高性能納米黏土 /聚氨酯復(fù)合材料, 需采用特別的溶劑交換加工技術(shù), 從而使納米黏土能夠均勻分散并專門(mén)增強(qiáng)聚氨酯的結(jié)晶微區(qū) [ 43] ;此外, 通過(guò)原位聚合的方法制備的高強(qiáng)度微晶纖維素 /聚氨酯復(fù)合材料, 在原位復(fù)合前, 微晶纖維素必須借助溶劑和離子作用進(jìn)行特殊的溶脹處理 [ 45] .天然蜘蛛絲為單純的高分子體系, 具有較低的密度, 并且其中均勻分散的高分子納米晶是通過(guò)分子自組裝形成, 在材料中具有天然精細(xì)均勻的分散 ;可見(jiàn), 與天然蜘蛛絲相比, 一方面, 采用微觀結(jié)構(gòu)仿生物理復(fù)合法, 通常較難實(shí)現(xiàn)納米材料在聚合物中的均勻分散, 另一方面, 納米材料密度一般比聚合物基體大, 導(dǎo)致復(fù)合材料密度比聚合物基體高, 這將對(duì)材料的輕質(zhì)要求有不利影響 .
2.4 多層次結(jié)構(gòu)仿生層層組裝法
天然蜘蛛絲為氨基酸鏈段共聚物 (分子尺度 ), 包含 β折疊片和螺旋構(gòu)象 (納米尺度 ), 絲的直徑為 1 ～ 10 μm, 同其它天然生物材料, 如木材、 骨骼 、牙齒 、動(dòng)物殼等一樣, 具有多層次結(jié)構(gòu) [ 30, 46 ～ 48] .從這個(gè)角度出發(fā), 科學(xué)家們開(kāi)展了關(guān)于多層次結(jié)構(gòu)仿生材料的研究, 他們將一種側(cè)鏈帶叔胺基團(tuán)水溶性聚氨酯和聚丙烯酸溶液在玻璃片上通過(guò)自組裝形成雙分子層膜, 然后層層疊壓, 制備出具有從納米到微米尺度范圍多層次結(jié)構(gòu)的聚氨酯 /聚丙烯酸 ( PU/PAA)納米復(fù)合材料 [ 49] .圖 2展示了聚氨酯 /聚丙烯酸層層組裝復(fù)合材料膜的固化過(guò)程, 所制備的復(fù)合材料具有單一組分 3倍的強(qiáng)度和韌性.通過(guò)這種多層次結(jié)構(gòu)仿生層層組裝法, 制備高強(qiáng)度高分子復(fù)合體系材料, 打破了傳統(tǒng)物理復(fù)合增強(qiáng)方法局限于特殊納米材料 /高分子體系的格局, 從一個(gè)完全不同的視野給人們展示了一種全新的仿生設(shè)計(jì)方法 .高分子材料通常具有較低的密度, 以高分子復(fù)合體系制備的天然蜘蛛絲仿生材料具有輕質(zhì)特點(diǎn).有關(guān)采用多層次結(jié)構(gòu)仿生層層組裝法制備天然蜘蛛絲仿生材料的研究報(bào)道很少, 該方法還未發(fā)現(xiàn)用于天然蜘蛛絲仿生材料的制備.
2.5 金屬元素仿生滲透注入法
自然界某些生物體, 如昆蟲(chóng)角質(zhì)層、 下頜骨 、螫針、 鉗螯 、 產(chǎn)卵器等, 由于含有極為少量的金屬元素 (如 Zn, Mn, Ca, Cu等 )而大大改善了這些部位的力學(xué)性能, 特別是其剛度和硬度 [ 50 ～ 53] .人們模仿生物體的這種特性, 對(duì)天然蜘蛛絲自身進(jìn)行了仿生修飾 .Lee等 [ 54] 通過(guò)多重脈沖氣相滲透技術(shù) ( MPI), 將金屬 Zn, Ti和 Al引入到天然蜘蛛絲中, 他們認(rèn)為在水蒸氣和副產(chǎn)物氣體 (如甲烷或者異丙醇 )破壞蜘蛛絲分子間氫鍵的同時(shí), 一方面, Zn 2 + , Al 3 +和 Ti 4 +金屬離子在氫鍵位點(diǎn)形成了金屬 -蛋白絡(luò)合物或更強(qiáng)的共價(jià)鍵, 另外使 β-折疊片晶相尺寸減小, 非晶相組分則相對(duì)增加, 從而使天然蜘蛛絲的強(qiáng)度 、 模量、 伸長(zhǎng)率及堅(jiān)韌性大大提高 .圖 3為采用多重脈沖氣相滲透技術(shù)注入金屬 Al前后天然蜘蛛絲的分子結(jié)構(gòu).通過(guò)金屬元素仿生注入法修飾 Fig.3 Molecularstructuresofnaturalspidersilks beforeandafterthemultiplepulsedvaporphase infiltration( MPI) of aluminum ( Al) [ 54] 天然蜘蛛絲, 其研究結(jié)果對(duì)天然蜘蛛絲仿生材料的發(fā)展有著巨大的啟發(fā)意義, 但目前仍只是依托于天然蜘蛛絲材料本身, 因此具有一定的局限性, 該方法是否適合其它纖維 (如合成纖維 )材料的仿生修飾, 還有待進(jìn)一步的探索 .
2.6 源于天然蜘蛛絲的其它仿生設(shè)計(jì)方法
以上 5種源于天然蜘蛛絲的仿生設(shè)計(jì)方法是近年來(lái)最有代表性的方法, 并由此而開(kāi)發(fā)了一系列新型仿生材料 .我們認(rèn)為, 還可從以下 3個(gè)方面進(jìn)行天然蜘蛛絲仿生材料設(shè)計(jì) .
( 1) 天然蜘蛛絲蛋白側(cè)鏈結(jié)構(gòu)中帶有多種功能性基團(tuán), 包括極性基團(tuán) 、 非極性基團(tuán) 、 芳香基團(tuán) 、陰離子或陽(yáng)離子基團(tuán) [ 30] .這些功能基團(tuán)的存在, 使天然蜘蛛絲蛋白分子鏈間存在大量的超分子作用, 主要為氫鍵、 π-π相互作用、 疏水作用及離子靜電吸引等.這些超分子作用的存在, 為在天然蜘蛛絲中形成 β-折疊片和螺旋結(jié)構(gòu)做出了巨大貢獻(xiàn), 材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由此也被加強(qiáng) [ 55] .據(jù)此, 可進(jìn)行天然蜘蛛絲超分子作用仿生, 即在材料結(jié)構(gòu)中構(gòu)筑并加強(qiáng)超分子作用 (如氫鍵 ) .
( 2) 天然蜘蛛絲蛋白從蜘蛛絲腺體中分泌成絲的過(guò)程, 實(shí)際上是一個(gè)微納米超分子自組裝擠出成絲的過(guò)程, 驅(qū)動(dòng)力主要為氫鍵和疏水作用 [ 29] .如圖 4所示, 首先形成 β-折疊片 ( 1 ～ 10 nm), β-折疊片進(jìn)一步自組裝成膠粒 ( 10 ～ 100 nm), 膠粒由于含水而具有強(qiáng)親水性;膠粒水含量逐漸減少, 蛋白濃度相對(duì)提高, 先形成液晶 ( 100 ～ 500 nm), 然后凝膠化生成亞穩(wěn)態(tài)液晶相 ( 500 ～ 1000 nm) ;在環(huán)境 (如壓力 、 低 pH值 、溶劑等 )的觸動(dòng)下, 液晶相變成更多 β-折疊片, 并在受限絲腺體中形成原纖維;原纖維高度有序, 從絲腺體中被擠出, 形成天然蜘蛛絲 ( <10 μm) .據(jù)此, 可進(jìn)行天然蜘蛛絲成絲過(guò)程仿生, 直接構(gòu)筑天然蜘蛛絲仿生纖維 .
( 3) 天然蜘蛛絲在不同的成絲環(huán)境或條件下, 其力學(xué)性能將發(fā)生很大的變化.由于天然蜘蛛絲在水中的超收縮特性, 因此隨著環(huán)境濕度的增加, 其拉伸強(qiáng)度和初始模量降低, 斷裂伸長(zhǎng)率增加 [ 56] .天然蜘蛛絲在低溫下具有較高的強(qiáng)韌性, 天然蜘蛛絲的強(qiáng)度、 模量和伸長(zhǎng)率都隨溫度的降低而提高, 特別是當(dāng)溫度降低到 -60 ℃時(shí), 其伸長(zhǎng)率提高了 2倍 [ 57] .蜘蛛天然的紡絲速度為 10 ～ 20 mm/s, 此時(shí)天然蜘蛛絲中微晶的取向達(dá)到了一個(gè)較大的平衡值, 其屈服強(qiáng)度和模量達(dá)到了最大值 (分別比紡絲速度為 1 mm/s時(shí)的屈服強(qiáng)度和模量提高了 7倍和 10倍 ), 其斷裂強(qiáng)度同時(shí)提高 [ 58] .此外, 天然蜘蛛絲在較高的溫度下或者水浴中成絲, 有利于提高其力學(xué)強(qiáng)度和斷裂韌性 [ 59, 60] .據(jù)此, 可進(jìn)行天然蜘蛛絲成絲環(huán)境或條件仿生, 設(shè)計(jì)性能優(yōu)化的天然蜘蛛絲仿生材料, 特別是仿生纖維 .
3 結(jié) 論
仿生學(xué)及仿生材料是一門(mén)涉及多領(lǐng)域的交叉前沿學(xué)科, 采用仿生學(xué)原理, 設(shè)計(jì)與天然生物材料具有同樣完美結(jié)構(gòu)和功能的仿生材料, 是許多科學(xué)家共同期待的目標(biāo) .天然蜘蛛絲具有高比強(qiáng)度、 優(yōu)異彈性和堅(jiān)韌性及其出色的綜合性能, 是其它纖維不可相比的 .受蜘蛛絲啟發(fā), 天然蜘蛛絲仿生材料的研究得到了快速發(fā)展, 同時(shí)也展示出許多新穎的天然蜘蛛絲仿生設(shè)計(jì)方法.同時(shí), 天然蜘蛛絲仿生材料的設(shè)計(jì)理念及相關(guān)科學(xué)也對(duì)人們提出了更高要求 .——論文作者：劉全勇 1 , 江 雷 1, 2
參 考 文 獻(xiàn)
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