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改造天然蠶絲能做出強度匹敵蜘蛛絲的新型纖維

發布時間:2017-11-20   來源:互聯網   編輯:嘉聯絲綢   點擊:

  盡管人們做了很多努力,但是人造纖維的強度仍然無法匹及天然纖維的強度。

  近日,美國科學家利用天然絲纖維為原料,成功制備出比天然絲纖維硬幾倍的新材料,而且形狀和結構復雜多樣。他們把這種新材料稱為“再生絲纖維(RSF)”。研究成果發表在《自然通訊》(Nature Communications)上,由麻省理工學院和塔夫斯大學的研究人員合作完成。

  天然絲纖維是指由蠶、蜘蛛等昆蟲分泌出來的天然蛋白纖維。蜘蛛絲是已知的最硬材料之一。但是蜘蛛具有同類相食的個性,無法高密度養殖,而蠶就能很好地解決這一問題,產出大量的纖維。一直以來,很多研究人員都嘗試制備純合成的絲,但是產物強度都不如天然絲纖維。因此,Buehler 團隊開發了一種新方法,既利用天然蠶絲本身的優良特性,又可增大其強度,而且可獲得天然蠶絲無法形成的各種新穎形狀和結構。

  他們以天然蠶絲作為基礎原料,先將其破壞,然后再重組得到再生絲纖維。

  該方法的關鍵在于部分程度地破壞天然蠶絲。他們把蠶繭溶解,但并不打破分子結構,而是獲得微纖維形成的中間體。這些小型的絲狀中間體保留了重要的分級結構,而正是這些結構賦予了蠶絲高的強度。Buehler 是土木與環境工程系的主任,他把這種天然材料的再循環利用比喻成舊磚房的拆卸,但不是把房子拆成一堆碎石,而是把每塊磚都完整地拆下來,然后再用它們去建造新結構。他表示,“正是天然材料的利用,才成就了再生絲纖維獨特的強度和伸展性能。我們利用的是自然的力量。”

  制備得到的再生絲纖維,比傳統的絲纖維硬 2 倍,其硬度接近蜘蛛牽絲的硬度。

  研究人員能夠制備天然絲無法復制的各種形狀,比如網狀物、管狀物、比天然絲更厚的纖維、線圈及片材等。這些不同形狀可以利用一種適用于絲溶液的 3D 打印系統來制備。研究人員表示,可利用傳統的制備方法制備再生絲纖維,很容易實現規模化生產,并且通過改變擠壓速度可調控絲纖維的性能。

  盡管絲線和絲織品價格貴,但是這種再生絲纖維的成本主要來自于人力,因為從蠶繭中把絲拆出,然后再編織都屬于勞動密集型作業。實際上,蠶和蠶繭的獲取成本是比較低的。未處理的大批量蠶繭成為只要 5 美元/公斤。

  這項研究為新型的織物材料和功能性復合材料奠定了基礎,而且未來應用廣泛,比如新一代紡織物和生物傳感器等。比如,絲是一種天然的生物兼容性材料,在人體內不會引起任何不良反應,所以這種新材料適合用作醫用縫合線或者腳手架等生物材料。

  另外,再生絲纖維對濕度比較敏感,并且添加碳納米管等負極材料涂層就可制成導體。這樣就可以應用在各種敏感元件中,比如對指尖壓力或者環境中的變化做出響應。例如,一個可能的應用就是可用作醫護設備的床單。通過監測壓力,當病人躺在同一位置太長時間的情況下自動提醒護理人員,從而幫助避免褥瘡。這樣的應用可以快速地付諸實施,并不存在障礙。



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改造天然蠶絲能做出強度匹敵蜘蛛絲的新型纖維

嘉聯絲綢  2017-11-20

  盡管人們做了很多努力,但是人造纖維的強度仍然無法匹及天然纖維的強度。

  近日,美國科學家利用天然絲纖維為原料,成功制備出比天然絲纖維硬幾倍的新材料,而且形狀和結構復雜多樣。他們把這種新材料稱為“再生絲纖維(RSF)”。研究成果發表在《自然通訊》(Nature Communications)上,由麻省理工學院和塔夫斯大學的研究人員合作完成。

  天然絲纖維是指由蠶、蜘蛛等昆蟲分泌出來的天然蛋白纖維。蜘蛛絲是已知的最硬材料之一。但是蜘蛛具有同類相食的個性,無法高密度養殖,而蠶就能很好地解決這一問題,產出大量的纖維。一直以來,很多研究人員都嘗試制備純合成的絲,但是產物強度都不如天然絲纖維。因此,Buehler 團隊開發了一種新方法,既利用天然蠶絲本身的優良特性,又可增大其強度,而且可獲得天然蠶絲無法形成的各種新穎形狀和結構。

  他們以天然蠶絲作為基礎原料,先將其破壞,然后再重組得到再生絲纖維。

  該方法的關鍵在于部分程度地破壞天然蠶絲。他們把蠶繭溶解,但并不打破分子結構,而是獲得微纖維形成的中間體。這些小型的絲狀中間體保留了重要的分級結構,而正是這些結構賦予了蠶絲高的強度。Buehler 是土木與環境工程系的主任,他把這種天然材料的再循環利用比喻成舊磚房的拆卸,但不是把房子拆成一堆碎石,而是把每塊磚都完整地拆下來,然后再用它們去建造新結構。他表示,“正是天然材料的利用,才成就了再生絲纖維獨特的強度和伸展性能。我們利用的是自然的力量。”

  制備得到的再生絲纖維,比傳統的絲纖維硬 2 倍,其硬度接近蜘蛛牽絲的硬度。

  研究人員能夠制備天然絲無法復制的各種形狀,比如網狀物、管狀物、比天然絲更厚的纖維、線圈及片材等。這些不同形狀可以利用一種適用于絲溶液的 3D 打印系統來制備。研究人員表示,可利用傳統的制備方法制備再生絲纖維,很容易實現規模化生產,并且通過改變擠壓速度可調控絲纖維的性能。

  盡管絲線和絲織品價格貴,但是這種再生絲纖維的成本主要來自于人力,因為從蠶繭中把絲拆出,然后再編織都屬于勞動密集型作業。實際上,蠶和蠶繭的獲取成本是比較低的。未處理的大批量蠶繭成為只要 5 美元/公斤。

  這項研究為新型的織物材料和功能性復合材料奠定了基礎,而且未來應用廣泛,比如新一代紡織物和生物傳感器等。比如,絲是一種天然的生物兼容性材料,在人體內不會引起任何不良反應,所以這種新材料適合用作醫用縫合線或者腳手架等生物材料。

  另外,再生絲纖維對濕度比較敏感,并且添加碳納米管等負極材料涂層就可制成導體。這樣就可以應用在各種敏感元件中,比如對指尖壓力或者環境中的變化做出響應。例如,一個可能的應用就是可用作醫護設備的床單。通過監測壓力,當病人躺在同一位置太長時間的情況下自動提醒護理人員,從而幫助避免褥瘡。這樣的應用可以快速地付諸實施,并不存在障礙。

(完)

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