人造蜘蛛絲的案例
超高強(qiáng)度人造蜘蛛絲將于明年問世 可用于飛機(jī)制造
據(jù)外媒Fastcompany消息，人造蜘蛛絲這種創(chuàng)新材料由于重量輕、強(qiáng)度高，而且具有可持續(xù)性等特性，已經(jīng)開始被期望應(yīng)用于航空工業(yè)中。
航空工業(yè)對環(huán)境而言無疑是一場災(zāi)難。目前，航空業(yè)的二氧化碳排放量占全球的2%以上。紐約和加利福尼亞之間的單次飛行所產(chǎn)生的排放量約為一輛汽車一年排放量的20%。
目前，航空旅游以每年6%的速度增長，所以，即便多年來飛機(jī)設(shè)計師在飛機(jī)效能改善方面取得一些進(jìn)步，但也難抵航空運(yùn)輸需求的迅猛增長。
然而，我們也看到飛機(jī)效能改進(jìn)方面還有進(jìn)步空間。自2011年以來，商業(yè)航空公司一直在嘗試使用生物燃料減少排放，也已開始在飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼上使用碳纖維復(fù)合材料等輕質(zhì)材料替代金屬和鋼鐵材料。碳纖維可以說是可持續(xù)發(fā)展的功臣，它的高強(qiáng)度和輕重量使其利用起來更加高效，而且耗能更少。但碳纖維的生產(chǎn)是能源密集型的，而且難以回收利用。
所以，人們開始尋找一種更具可持續(xù)性且同樣輕便的材料，可將其用于飛機(jī)的制造。而空客公司則找到了一個神奇的解決方案：合成蜘蛛絲。
據(jù)悉，空客已與德國制造商AMSilk建立了合作。AMSilk據(jù)稱是第一家合成蜘蛛絲生物聚合物的工業(yè)供應(yīng)商，該公司通過實(shí)驗(yàn)制造出了生物鋼鐵(Biosteel)，目的是模仿蜘蛛絲的柔韌性以及不可思議的強(qiáng)度。生產(chǎn)生物鋼鐵的閉環(huán)細(xì)菌發(fā)酵過程既不需要化石燃料，也不需要高溫，既節(jié)能又可持續(xù)。
AMSilk公司首席執(zhí)行官延斯·克萊因(Jens Klein)表示，AMSilk將與空客密切合作，推出一種由生物鋼纖維和樹脂制成的復(fù)合材料，他們希望該產(chǎn)品能于2019年亮相。
據(jù)了解，該公司生產(chǎn)的生物鋼鐵曾用于制作一款可降解的阿迪達(dá)斯運(yùn)動鞋。隨后，生物鋼鐵在過去幾年里也引發(fā)了熱議。
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人造蜘蛛絲
蜘蛛絲的彈性和柔韌性都很好，耐沖擊性強(qiáng)，耐低溫性能好，在-40℃的條件下仍能保持其彈性，是制作防彈衣的立項(xiàng)材料。而且，蜘蛛絲是由蛋白質(zhì)組成，因而是生物可降解的，不會對環(huán)境造成污染。
遺憾的是，經(jīng)過漫長的探索，到現(xiàn)在仍無法大量生產(chǎn)人造蜘蛛絲，且人造蜘蛛絲的強(qiáng)度只能達(dá)到天然蜘蛛絲的1/3，還無法達(dá)到防彈纖維的要求。但由于蛛絲這種蛋白纖維具有合成纖維一些不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此美國軍方組織仍然在投入經(jīng)費(fèi)持續(xù)這種材料的開發(fā)。
八目鰻粘液
八目鰻的防御性粘液主要包括兩個組成部分，線狀蛋白和黏蛋白。線狀蛋白的長度為15厘米，在與海水混合后會膨脹，產(chǎn)生大量透明黏液，其中包含著大量非常薄但具有極強(qiáng)韌性和伸縮性的纖維。
現(xiàn)在，美國海軍的一組科學(xué)家和工程師團(tuán)隊已經(jīng)找到了一種方法來合成八目鰻粘液，旨在為軍隊提供一種有價值的新材料，有望能擊退鯊魚或提供彈道防護(hù)。
總體來說，防彈材料的開發(fā)在朝著舒適輕量、全方位防護(hù)和仿生化的方向快速發(fā)展。新材料的不斷出現(xiàn)，為防彈材料的開發(fā)提供了越來越多的可能，不同的新材料，也總有最適合的應(yīng)用形式和場所。
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人造蜘蛛絲
蜘蛛絲的彈性和柔韌性都很好，耐沖擊性強(qiáng)，耐低溫性能好，在-40℃的條件下仍能保持其彈性，是制作防彈衣的立項(xiàng)材料。而且，蜘蛛絲是由蛋白質(zhì)組成，因而是生物可降解的，不會對環(huán)境造成污染。
遺憾的是，經(jīng)過漫長的探索，到現(xiàn)在仍無法大量生產(chǎn)人造蜘蛛絲，且人造蜘蛛絲的強(qiáng)度只能達(dá)到天然蜘蛛絲的1/3，還無法達(dá)到防彈纖維的要求。但由于蛛絲這種蛋白纖維具有合成纖維一些不具備的優(yōu)點(diǎn)，因此美國軍方組織仍然在投入經(jīng)費(fèi)持續(xù)這種材料的開發(fā)。
八目鰻粘液
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總體來說，防彈材料的開發(fā)在朝著舒適輕量、全方位防護(hù)和仿生化的方向快速發(fā)展。新材料的不斷出現(xiàn)，為防彈材料的開發(fā)提供了越來越多的可能，不同的新材料，也總有最適合的應(yīng)用形式和場所。
但是，小編衷心地希望，這世界上的戰(zhàn)爭越來越少，防彈衣不是用來抵擋同類的傷害，而是在將來的某一天，抵御來自地球外生物的入侵和攻擊。
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《ACS Nano》東華大學(xué)張耀鵬、吳榮亮：迄今最薄的“納米絲帶”
近日，國際著名期刊《ACS Nano》以全文形式報道了東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張耀鵬教授、邵惠麗教授團(tuán)隊在蠶絲領(lǐng)域的重要研究成果，論文題為“單分子層厚度的納米絲帶：絲材料的潛在構(gòu)筑基元”（Single Molecular Layer of Silk Nanoribbon as Potential BasicBuilding Block of Silk Materials）。該論文第一作者為博士生牛欠欠，共同通訊作者為東華大學(xué)吳榮亮副教授、紐約州立大學(xué)石溪分校Benjamin S. Hsiao教授。
蠶絲和蜘蛛絲的優(yōu)異性能取決于其多級結(jié)構(gòu)在介觀尺度的有序排列。作為蠶絲多級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)筑單元，絲素納米纖維對人造蜘蛛絲等高性能絲蛋白材料的設(shè)計和構(gòu)筑尤其重要。張耀鵬教授團(tuán)隊利用氫氧化鈉/尿素水溶液體系，在低溫下將蠶絲逐級剝離為厚度約0.4納米、寬度約27納米的蠶絲納米纖維帶。這也是目前為止世界最薄的絲素納米纖維帶，其厚度僅為絲素蛋白的單分子層厚度，與單層石墨烯厚度相當(dāng)。該納米纖維帶主要由天然蠶絲中原生的β-折疊片層、無規(guī)線團(tuán)以及α-螺旋構(gòu)象構(gòu)成。研究者通過原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡及小角X射線散射技術(shù)等多種表征技術(shù)確認(rèn)了上述信息，并通過計算機(jī)分子動力學(xué)模擬技術(shù)，模擬了蠶絲在氫氧化鈉/尿素水溶液中剝離為絲素納米纖維的動態(tài)過程。在此基礎(chǔ)上，提出了全新的蠶絲多級結(jié)構(gòu)模型。
蠶絲多級結(jié)構(gòu)模型圖
基于絲素納米纖維帶懸浮液，該團(tuán)隊制備了超薄、超韌、高透明的絲素納米纖維薄膜。絲素納米纖維帶通過自組裝或者有序構(gòu)建，可用作增強(qiáng)成分或者直接構(gòu)建單元，有望制備性能優(yōu)異或功能性的絲素蛋白基材料，比如骨組織工程支架、手術(shù)縫合線、超薄柔性自支撐透明膜等，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物電子接口、過濾、光學(xué)、成像等領(lǐng)域。
展開 香港城市大學(xué)胡金蓮教授團(tuán)隊《Adv. Mater.》：一種新型自卷曲/膨脹支架
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202101005
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展開 科學(xué)家利用蜘蛛絲制造服裝和醫(yī)療設(shè)備
Spiber公司希望，這些合成絲能被紡成防寒大衣和座椅面料
對于蜘蛛絲的吹捧自18世紀(jì)10年代便開始了。當(dāng)時，位于蒙彼利埃的法國皇家科學(xué)學(xué)會主席Fran?ois Xavier Bon de Saint Hilaire在給同事的信中寫道：“你將非常吃驚地聽到，蜘蛛產(chǎn)生的絲和普通絲綢一樣美麗、結(jié)實(shí)和光滑。”現(xiàn)代的吹捧則宣稱，蜘蛛絲的強(qiáng)韌程度是鋼鐵的5倍，但仍然比橡膠靈活。如果它能被制成繩子，那么一張大尺度的網(wǎng)將能套住一架噴氣客機(jī)。
關(guān)鍵詞是“如果”。研究人員在1990年首次克龍出蜘蛛絲基因，以期將其植入其他生物體來生產(chǎn)絲。蜘蛛無法像蠶一樣被養(yǎng)殖，因?yàn)樗鼈兙哂械乇P性，并且會同類相食。如今，大腸桿菌、酵母菌、植物、蠶甚至山羊都能通過基因改造大量產(chǎn)出蜘蛛絲蛋白，盡管這些蛋白通常比蜘蛛自身的蛋白更短、更簡單。公司已成功地將這些蛋白轉(zhuǎn)入強(qiáng)韌程度足夠高的線中，從而產(chǎn)生一些服裝原型，包括阿迪達(dá)斯公司的跑鞋和北臉公司的輕便大衣。不過，迄今為止，公司仍在為大規(guī)模生產(chǎn)此類服裝努力。
一些管理人員表示，他們最終可能會改變策略。位于美國加州愛莫利維爾的初創(chuàng)公司Bolt Threads表示，其已經(jīng)完善了在酵母菌中生長蜘蛛絲蛋白的方法并且每年有望產(chǎn)出數(shù)噸蜘蛛絲線。在密歇根州蘭辛市，Kraig Biocraft實(shí)驗(yàn)室表示，其僅需要同越南的養(yǎng)蠶場進(jìn)行最終談判，便能制造出大量的蜘蛛絲和蠶絲混合物。目前，美國軍方正在測試將其用于彈道學(xué)保護(hù)。“自上世紀(jì)90年代起，該領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展。而當(dāng)時，無論是在功能規(guī)模，還是商業(yè)規(guī)模上，大規(guī)模產(chǎn)出蜘蛛絲似乎都是遙不可及的。”瑞典皇家理工學(xué)院生物化學(xué)家My Hedhammar表示。
然而，很多生物技術(shù)和研究觀察者對大規(guī)模生產(chǎn)蜘蛛絲繩子和纖維的前景持謹(jǐn)慎態(tài)度。“目前，該領(lǐng)域尚未進(jìn)展到這一步。”
展開 Nature子刊：伸長率1200%，中國科大制備出仿蜘蛛絲高性能纖維！
蜘蛛絲具有多層次的有序結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。受蜘蛛絲的有序結(jié)構(gòu)和紡絲方法的啟發(fā)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬明明課題組通過凝膠紡絲的方法，實(shí)現(xiàn)了調(diào)控導(dǎo)電水凝膠中高分子鏈的排列和取向、制備出高性能導(dǎo)電水凝膠纖維的目標(biāo)：在室溫下由聚丙烯酸鈉（PAAS）溶液直接紡絲得到水凝膠纖維，通過涂覆聚丙烯酸甲酯（PMA）防水層，形成具有核-殼結(jié)構(gòu)的PMA-PAAS水凝膠纖維（MAPAH纖維）。
中國科大成功制備仿蜘蛛絲結(jié)構(gòu)的高性能導(dǎo)電水凝膠纖維
在MAPAH纖維中，PAAS結(jié)晶區(qū)和非晶區(qū)共存并且可以快速可逆互變，使MAPAH纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能以及抗凍性能。MAPAH纖維具有高拉伸強(qiáng)度（5.6 MPa）和大斷裂伸長率（1200％），并且可以在大幅度拉伸后快速回復(fù)。PAAS水凝膠作為導(dǎo)電芯（電導(dǎo)率為2 S m-1），PMA層作為防水和絕緣涂層，使MAPAH纖維可以作為具有高可拉伸性的彈性導(dǎo)線。MAPAH纖維在-35℃也能保持其可拉伸性和導(dǎo)電性，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍性能。作為一種高性能和低成本的彈性可拉伸導(dǎo)電水凝膠纖維，MAPAH纖維將可用于開發(fā)基于紡織材料的可拉伸電子器件。
該成果發(fā)表在《自然-通訊》上，碩士畢業(yè)生趙雪和二年級博士生陳芳是文章的共同第一作者。該項(xiàng)研究工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。（來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05904-z
展開 2019年超具潛力20大新材料
應(yīng)用領(lǐng)域：可以用于制作人造皮膚以及具有仿生功能的柔性機(jī)器人。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：麻省理工學(xué)院
2、可編程水泥
圖片來源：萊斯大學(xué)
突破性：將水泥顆粒（混凝土中的一種成分）“編程”成使其更堅固的形狀。這也產(chǎn)生了具有較少多孔性和更耐水和耐化學(xué)性的混凝土顆粒，這不僅防止了化學(xué)和水吸收造成的損害，而且對環(huán)境的危害較小。
應(yīng)用領(lǐng)域：建筑、工業(yè)。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：萊斯大學(xué)
3、讓皺紋消失的材料
圖片來源：西班牙《阿貝賽報》
突破性：將這種細(xì)膩而柔滑的聚合物涂在皮膚上，能夠瞬間拉緊皮膚、消除下垂，在不知不覺間讓皺紋消失。
應(yīng)用領(lǐng)域：在護(hù)膚品開發(fā)和皮膚病治療方面具有良好應(yīng)用前景。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：麻省理工學(xué)院
4、無限可回收的塑料
圖片來源：Bill Cotton /科羅拉多州立大學(xué)
突破性：可以無限期地回收利用，同時保持塑料的性能。
應(yīng)用領(lǐng)域：現(xiàn)有塑料的替代品。
主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：科羅拉多州立大學(xué)
5、人造蜘蛛絲
圖片來源：英國劍橋大學(xué)研究院
突破性：細(xì)菌被喂食糖、鹽和其他微量營養(yǎng)素以產(chǎn)生絲蛋白質(zhì)，然后將這種蛋白質(zhì)變成細(xì)粉末，制成纖維、復(fù)合材料等。
應(yīng)用領(lǐng)域：紡織材料、醫(yī)療和飛機(jī)船舶制造等領(lǐng)域。
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