向蜘蛛学技能：苏州大学团队利用普通化工原料

Noong Nobyembre 29, inilathala ng "Kalikasan ng Kalikasan" ang isang mahalagang pag -aaral sa mga biomimetic na materyales mula sa 苏州大学，na pinamagatang kinokontrol na paghihiwalay ng mikropono at pag -programming ng pilay sa mga 水凝胶纤维 patungo sa mga 仿生 na mga 加丹吉安的 arkitektura。 Sa pamamagitan ng basa na teknolohiiya ng pag-ikot，na inspirasyon ng multi-level na iniutos na istraktura ng Spider Sutla，inihanda ng koponan ang mga hibla ng Hydrogel na may mahusay na mga katangian tulad ng Spider sutla。论文通讯作者为苏州大学国家现代丝绸工程实验室王晓桥教授。为什么要模仿蜘蛛丝？ Ang Spider Sutla ay Hindi lamang isang thread ng pagkawa ng web，ngunit isang Material na katumpakan ng Engineering na umunlad sa daan-daang milyong taon。它既坚硬又坚固，而且富有弹性，还可以感知湿度和湿气的变化。这些非凡的特性来自蜘蛛丝的多级有序结构。 Sa ilalim ng isang mikroskopyo, ang mga protina ng Spider sutla ay bumubuo ng isang katangi-tanging 强化 kongkreto na tulad ng istraktura: 1. 硬 β-片纳米晶体 (tulad ng mga bakal na bar): mahigpit na nakaayos sa pamamagitan ng mga bono ng 氢, na nagbibigay ng lakas at higpit。 2. 病变部位的软蛋白（如混凝土）：赋予纤维弹性和流动性。 3. 定向微纤维纳米簇：Bumuo ng isang mekanismo ng pagwawaldas ng multi-level na enerhiya, at kapag naapektuhan, ang panlabas na puwersa ay unti-unting nalutas sa pamamagitan ng multi-level na istraktura upang maiwasan ang agarang pagbasag。这些特性使其成为理想的仿生模板。然而，如何用人造材料和经济的方法复制这种复杂的结构，或者通过可扩展的纤维制造工艺，是一个重大挑战。答：天然蜘蛛丝具有独特的多层次结构，这是业绩奇迹的蓝图； B：研究人员正在模拟这个过程，通过“湿纺”形成基础纤维，然后“后拉伸”进行结构编程。从蜘蛛纺丝到实验室纺丝，苏州大学的团队对蜘蛛丝的结构有着深入的了解，并以此为灵感来源，成功开发了可操作的化学和工程技术。关键仿生策略一：使用氢键网络模仿“天然铁”蜘蛛丝依靠氢键形成坚固的结晶β-折叠。研究小组选择了两种富含氢键基团的聚合物——丙烯酸聚钠（PANA，含有羧酸盐基团）和聚丙烯酰胺（PAM，含有酰胺基团）。当它们在一定条件下混合时，羧酸和酰胺之间会形成致密的氢键网络，并自发组装成纳米团簇。它就像一种化学物质，可以制造出无数的锡y 材料内的“乐高连接”。通过精确调节循环胶体的 pH 值，它们可以控制羧酸基团的质子化状态。在pH = 4.1的微酸性环境中，氢键的形成是最佳的。纳米团簇尺寸均匀（约50-100纳米）且分布密集，为材料提供了最佳的强化节点。通过精确控制溶剂旋转的类型、两种聚合物（PANA 和 PAM）的比例以及溶液的 pH 值，研究人员可以控制纤维内部的纳米结构。形成，从而定制具有不同性能的纤维。关键仿生策略2：使用应变编程实现分子排列。纺完后，蜘蛛会用腿来拉伸丝。这个过程称为“结构化”，可以使无序的聚合物链高度取向。这是获得高强度、高模量蜘蛛丝的关键。研究小组模仿了这种生物纤维形成后进行受控预伸长（100%-400%），并在一定湿度下固定该拉伸状态。预拉伸不仅使聚合物链沿纤维轴排列，而且促进氢键网络的重排和定向结晶的形成。 400%预伸长纤维在X射线下显示出高度的分子有序性，其晶型在功能上类似于蜘蛛丝中的β-折叠晶体。对原生纤维进行不同比例的预拉伸，会引发其内部结构的多层次进化，堪比天然蜘蛛丝。经过上述仿生设计和精确控制，PANA-PAM水凝胶纤维（PANA-PAM-400%）最终获得了令人惊叹的综合性能： 力学性能：硬度达到118.7 MJ/m3，拉伸强度172.3 MPa，并且可以从50%拉伸完全恢复。比人的头发稍粗的纤维（abo（横截面积为0.5平方毫米）可以悬挂1公斤的重物，相当于其自重的110,000倍。智能反应：在水分和热量的刺激下，纤维可产生高达60%的“过度收缩”，并能输出较大的收缩应力，展现出驱动肌肉的能力。预拉伸两次的纤维单位质量的做功能力（516 j/kg）超过了生物肌肉的做功能力（~39 j/kg）。能量管理：阻尼效率高达96%，可快速消散能量冲击，在数秒内平息自由落体物体的振荡。在防护材料领域具有巨大的潜力。这些性能指标与天然蜘蛛丝和近年来报道的各种仿生纤维相比，特别是在刚度、阻尼和智能响应的结合方面处于领先地位。不仅仅是折叠，弓这项研究展示了通过传统纤维人实现仿生结构的可行性制造技术，并提供了“结构设计-过程控制-性能实现”的系统方法。该研究的价值不仅在于复制蜘蛛丝的性能，还在于为规模化生产提供了途径。研究中使用的原材料成本低廉、生物相容性好，基本的湿法纺丝和后拉伸工艺与现有纺织工业非常契合。在防护装备、智能织物、软体机器人、吸能材料等领域具有潜在的应用价值。编辑：郭果 论文信息发布期刊 Nature Communications 发布日期 2025 年 11 月 29 日 标题 ng Title Controlled Microphase Separation and Strain Programing in Hydrogel Fibers Toward Biomimetic Architectures and Properties (doi: https://doi.org/10.1038/s41467-025-66537-7) 特别声明：以上内容（如有则包括照片或视频）均由用户上传发布自媒体平台“网易号”的简称。本平台仅提供信息存储服务。 注：以上内容（包括图片和视频，如有）由网易HAO用户上传发布，网易HAO为社交媒体平台，仅提供信息存储服务。