一個來自劍橋大學(xué)的建筑師和化學(xué)家團(tuán)隊設(shè)計了一種具有超強(qiáng)延展性的強(qiáng)力纖維,大部分都是由水構(gòu)成的,可被用于制造織物、傳感器和其他材料。這種纖維由于能吸收大量能量,因此就像是微型彈力繩,是可持續(xù)的無毒纖維,可在室溫下制造。
這一新方法不僅在先前制造合成蜘蛛絲的方法上進(jìn)行了改進(jìn),不再需要高能程序或者有害溶劑,還能大幅提升制造所有種類合成纖維的方法,因為其他類別的合成纖維也依賴于高能、有毒方法。這一成果已發(fā)表在國家科學(xué)院論文集上。
蜘蛛絲是自然界中最堅韌的材料之一,科學(xué)家試圖模擬其性質(zhì),應(yīng)用于大量應(yīng)用之中,成功的程度各異。來自劍橋大學(xué)建筑系的共同作者Darshil Shah博士說道:"我們還沒有完全重建出蜘蛛吐絲的優(yōu)雅。"
劍橋團(tuán)隊設(shè)計的這種纖維是由一種名為水凝膠的糊狀材料"紡"成的,其中98%都是水。剩余的2%由二氧化硅和纖維素構(gòu)成,兩者都可在自然界中得到,并通過被稱為瓜環(huán)的筒狀分子"手銬"結(jié)合到一起。不同成分之間的化學(xué)作用使得能從凝膠中抽出一條長長的纖維。
這些纖維從水凝膠中抽出,形成長長的極薄細(xì)線,直徑僅為百萬分之一米。經(jīng)過約30秒,水分蒸發(fā),剩下的就是既堅韌又可延展的纖維。
Shah說道:"雖然我們的纖維比不上最堅韌的蜘蛛絲,但也能支撐100到150兆帕的壓強(qiáng),類似于其他合成和自然絲。但我們的纖維是無毒的,而且制造并不怎么耗能。"
這種纖維在室溫下能自組裝,被超分子主-客體化學(xué)過程所結(jié)合,這種化學(xué)過程依賴于分子間的弱相互作用力而非原子共享電子的共價鍵。
劍橋大學(xué)化學(xué)系博士研究生、論文第一作者Yuchao Wu說道:"當(dāng)你觀察這些纖維時,你可以發(fā)現(xiàn)在不同尺度上將他們結(jié)合起來的各種不同作用力。這像是一個層級架構(gòu),形成復(fù)雜的組合性質(zhì)。"
這種纖維的強(qiáng)度超過了其他合成纖維,比如基于纖維素的纖維膠和人造絲,還超過了類似人類或者動物毛發(fā)等自然纖維。
除了強(qiáng)度,這種纖維還表現(xiàn)出了非常高的吸震能力,意味著它們能吸收大量能量,就像是彈力繩?,F(xiàn)在沒有幾種合成纖維具有這一能力,但高阻尼是蜘蛛絲的特性之一。研究者發(fā)現(xiàn)這種纖維的減震能力在某些情況下甚至超越了自然絲。
Shah說道:"我們認(rèn)為這種纖維制造方法可以成為當(dāng)前制造方法的一種可持續(xù)替代品。"研究者計劃進(jìn)一步探索這種纖維的化學(xué)性質(zhì),包括制造紗線和編織纖維。