论文部分内容阅读
《蜘蛛侠》系列电影的热映，让少年彼得·帕克成了无数人心目中的超级英雄。然而，当普通观众沉迷于虚幻的漫威世界、为蜘蛛侠的超能力所倾倒时，世界各国的科学家们则正在努力扮演现实中的彼得·帕克，默默地研制着具有惊人物理性能的人工蜘蛛丝……
不起眼的蜘蛛，了不起的蜘蛛侠
蜘蛛是一种低调而生命力顽强的小昆虫，不论是在人类城市，还是在野外丛林，只要留心观察，人们便可发现它们的踪迹。它们常常将一张张蛛网结在屋子的墙角、门后，或一些透光的树枝间，这些蛛网是它们的捕食神器——总有些没头没脑的小昆虫会闯入这些陷阱，被蛛网牢牢粘住，结果成了蜘蛛的美餐。
虽然蜘蛛寻常可见，但由于它们怕光，常常昼伏夜出，行动时又总是悄无声息、非常低调，所以人们很少注意到它们。在普通人心目中，蜘蛛是一种毫无地位的存在，它们往往只在主妇开展年终大扫除时被注意到，随后连同蛛网一起被鸡毛掸子、除尘扫把等无情地挥走。
有意思的是，现实中的蜘蛛卑微到尘埃里，来自幻想的蜘蛛侠却登上大银幕，在全世界拥有不计其数的粉丝。人们倾慕蜘蛛侠的超能力，羡慕他那具有超强韧性、能够牵引即将倾倒的大厦、能够拉住快速奔驰的火车的神奇蜘蛛丝——殊不知，这种蜘蛛丝并非真的是异想天开，而是有着现实的科学依据。
科学家们通过研究发现，人们眼中不起眼的蜘蛛丝，其实在很多方面有着惊人的物理性能。比如，它的抗拉强度（即在拉伸条件下的最大承载力）可以跟应用于桥梁、建筑等重要工程的高级合金钢相媲美。而号称刀枪不入、被广泛运用于防弹衣制造的凯夫拉纤维的抗拉强度，也不过是蜘蛛丝的2倍。
但是，金属和凯夫拉纤维的韧性较差（在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，发生脆性断裂的可能性越小），且几乎不具备伸长的特性;而蜘蛛丝韧性极佳，且在自然状态下可伸长40%，在高度潮湿的环境下则可伸长5倍！尤为值得一提的是，蜘蛛丝伸长后不反弹，在高湿环境中，被拉长的蜘蛛丝还能逐渐恢复到原来的长度。
此外，蜘蛛丝还有一大“特异功能”：当我们将重物悬挂在一根普通细线上时，可看到细线来回摆动旋轉，但蜘蛛丝不会发生这种情况。研究人员解释，这是因为蜘蛛丝在受到拉伸时会发生部分弯曲，从而驱散了大部分储存在扭转中的能量。正是由于这一点，蜘蛛才得以顺着拖丝从高处优雅地降落，而不会在空中尴尬地转个不停。
你也许会心存怀疑：“是吗？既然蜘蛛丝这么厉害，为什么它一挥即断呢”
没错，蜘蛛丝给人的印象的确非常脆弱，但如果你知道一根蜘蛛丝的直径还不到干分之一毫米，想必就不会这么问了。有研究者做过计算，要是将蜘蛛丝的直径放大到一根铅笔芯那么粗，其韧性将使它能拉起一艘万吨级的远洋货轮！
每个科学家都是脑洞大开的彼得·帕克
一根不起眼的蜘蛛丝，为什么会具有以上种种近乎神话的特异性能呢？
为回答这个问题，科学家对蜘蛛丝的分子结构和特性进行了深入研究。研究发现，蜘蛛丝蛋白有着半结晶状态的分子弹簧结构，让蜘蛛丝具备了强度高、韧性大、耐疲劳等优异的物理性能。科学家还通过原子力显微镜观察到，每根蜘蛛丝其实是由上千根更小的纳米级蜘蛛丝组成的，这让蜘蛛丝拥有了超强的韧性。
材料科学家们非常看重蜘蛛丝的优良性能，希望发明一种功能强大且可运用于实际生活的人工蜘蛛丝。
起初，研究者们曾尝试使用蜘蛛丝蛋白直接纺丝。这无疑是最简单的方法，但由于蜘蛛有同类相食的秉性，无法像家蚕一样进行大规模养殖，而且蜘蛛结网主要为了捕食，产量很低，科学家不得不放弃大规模饲养蜘蛛来获取蜘蛛丝的方法。
除了从蜘蛛那里获取蜘蛛丝，科学家们还曾尝试利用蚕丝蛋白来制造人工蜘蛛丝。在这方面，相关研究已经取得了一定成就，但这种方法很难量产。
当然，也有不少科学家另辟蹊径，尝试利用仿生学知识及其他高科技手段来制造人工蜘蛛丝。2017年，瑞典科学家研发出一种模拟蜘蛛吐丝过程的仿生学吐丝装置，通过降低pH值，让细菌帮忙生产人工蜘蛛丝。与此同时，英国科学家则利用凝胶成功研制出了一种高弹性、超强韧的纤维，其抗拉强度约为天然蜘蛛丝的1/10，优于现有的粘胶纤维、人造丝等合成纤维及动物毛发等天然纤维。
接力人工蜘蛛丝，中国科学家有新招
当世界各大科技强国纷纷致力于人工蜘蛛丝的研究时，中国自然也不甘落后。
早在数千年前的商周时期，中国人的祖先就已懂得“师法自然”，利用蚕丝来制造各种丝线、丝带和丝织品;数干年后的今天，中国科学家传承老祖宗“师法自然”的智慧，继续从与人类共存的万物身上寻找科学进步的灵感。
近年来，中国科学家在仿生学方面取得了一系列可喜成果，如可在水下连续工作数小时的仿生机器鱼、能够释放特殊气味并捕杀有害飞蛾的仿生诱芯、具有防风导湿功能的KEG保温面料等。2019年11月，中国科学界又传出一大喜讯：经过3年努力，南开大学药学院刘遵峰教授团队已成功研制出了一种由全新材料制成的、具有超强性能的人工蜘蛛丝。
据团队研发人员透露，跟先前的其他人工蜘蛛丝相比，这种用新材料制成的人工蜘蛛丝具有三大优点：力学性能几乎达到了天然蜘蛛丝的水平，而且在韧性等一些方面的表现甚至超过了天然蜘蛛丝;制造原料为水凝胶纤维（主要成分为化合物聚丙烯酸），大大降低了制造成本;制造工艺非常简单，为批量生产提供了可能。
为了测试这种人工蜘蛛丝的性能，研究团队曾做过一次室内试验：实验人员采用不同材质的网承接从10米高处坠落的鸡蛋，结果发现，只有人工蜘蛛丝制成的网在承接鸡蛋后不会出现鸡蛋外壳破碎的情况。这说明人工蜘蛛丝具有很好的缓冲力，在遭遇冲击时会吸收对方的能量，并通过收缩原理保持形态完整。
目前，人工蜘蛛丝的技术仍处在实验阶段，研究团队正致力于继续提高其拉伸强度等性能。不过，我们不难展望，在不久的未来，当人工蜘蛛丝投入生产之后，手腕粗的钢缆将被小指头粗细的蛋白质绳索取代，防弹服会像衬衣一样轻。当高层发生火灾时，人们也不必再担心逃生困难了——只须消防员或邻居在楼下拉开一张人工蜘蛛网，被大火困住的人就可及时跳楼逃生;被困者还可以使用由人工蜘蛛丝制成的绳索实现缓降自救，这根特殊的绳索可以缓慢拉伸且不会像橡皮筋一样快速回弹，这就大大降低了人体下降的速度，从而起到缓冲作用。
（责任编辑：白玉磊责任校对：赵梦祺）
不起眼的蜘蛛，了不起的蜘蛛侠
蜘蛛是一种低调而生命力顽强的小昆虫，不论是在人类城市，还是在野外丛林，只要留心观察，人们便可发现它们的踪迹。它们常常将一张张蛛网结在屋子的墙角、门后，或一些透光的树枝间，这些蛛网是它们的捕食神器——总有些没头没脑的小昆虫会闯入这些陷阱，被蛛网牢牢粘住，结果成了蜘蛛的美餐。
虽然蜘蛛寻常可见，但由于它们怕光，常常昼伏夜出，行动时又总是悄无声息、非常低调，所以人们很少注意到它们。在普通人心目中，蜘蛛是一种毫无地位的存在，它们往往只在主妇开展年终大扫除时被注意到，随后连同蛛网一起被鸡毛掸子、除尘扫把等无情地挥走。
有意思的是，现实中的蜘蛛卑微到尘埃里，来自幻想的蜘蛛侠却登上大银幕，在全世界拥有不计其数的粉丝。人们倾慕蜘蛛侠的超能力，羡慕他那具有超强韧性、能够牵引即将倾倒的大厦、能够拉住快速奔驰的火车的神奇蜘蛛丝——殊不知，这种蜘蛛丝并非真的是异想天开，而是有着现实的科学依据。
科学家们通过研究发现，人们眼中不起眼的蜘蛛丝，其实在很多方面有着惊人的物理性能。比如，它的抗拉强度（即在拉伸条件下的最大承载力）可以跟应用于桥梁、建筑等重要工程的高级合金钢相媲美。而号称刀枪不入、被广泛运用于防弹衣制造的凯夫拉纤维的抗拉强度，也不过是蜘蛛丝的2倍。
但是，金属和凯夫拉纤维的韧性较差（在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力，韧性越好，发生脆性断裂的可能性越小），且几乎不具备伸长的特性;而蜘蛛丝韧性极佳，且在自然状态下可伸长40%，在高度潮湿的环境下则可伸长5倍！尤为值得一提的是，蜘蛛丝伸长后不反弹，在高湿环境中，被拉长的蜘蛛丝还能逐渐恢复到原来的长度。
此外，蜘蛛丝还有一大“特异功能”：当我们将重物悬挂在一根普通细线上时，可看到细线来回摆动旋轉，但蜘蛛丝不会发生这种情况。研究人员解释，这是因为蜘蛛丝在受到拉伸时会发生部分弯曲，从而驱散了大部分储存在扭转中的能量。正是由于这一点，蜘蛛才得以顺着拖丝从高处优雅地降落，而不会在空中尴尬地转个不停。
你也许会心存怀疑：“是吗？既然蜘蛛丝这么厉害，为什么它一挥即断呢”
没错，蜘蛛丝给人的印象的确非常脆弱，但如果你知道一根蜘蛛丝的直径还不到干分之一毫米，想必就不会这么问了。有研究者做过计算，要是将蜘蛛丝的直径放大到一根铅笔芯那么粗，其韧性将使它能拉起一艘万吨级的远洋货轮！
每个科学家都是脑洞大开的彼得·帕克
一根不起眼的蜘蛛丝，为什么会具有以上种种近乎神话的特异性能呢？
为回答这个问题，科学家对蜘蛛丝的分子结构和特性进行了深入研究。研究发现，蜘蛛丝蛋白有着半结晶状态的分子弹簧结构，让蜘蛛丝具备了强度高、韧性大、耐疲劳等优异的物理性能。科学家还通过原子力显微镜观察到，每根蜘蛛丝其实是由上千根更小的纳米级蜘蛛丝组成的，这让蜘蛛丝拥有了超强的韧性。
材料科学家们非常看重蜘蛛丝的优良性能，希望发明一种功能强大且可运用于实际生活的人工蜘蛛丝。
起初，研究者们曾尝试使用蜘蛛丝蛋白直接纺丝。这无疑是最简单的方法，但由于蜘蛛有同类相食的秉性，无法像家蚕一样进行大规模养殖，而且蜘蛛结网主要为了捕食，产量很低，科学家不得不放弃大规模饲养蜘蛛来获取蜘蛛丝的方法。
除了从蜘蛛那里获取蜘蛛丝，科学家们还曾尝试利用蚕丝蛋白来制造人工蜘蛛丝。在这方面，相关研究已经取得了一定成就，但这种方法很难量产。
当然，也有不少科学家另辟蹊径，尝试利用仿生学知识及其他高科技手段来制造人工蜘蛛丝。2017年，瑞典科学家研发出一种模拟蜘蛛吐丝过程的仿生学吐丝装置，通过降低pH值，让细菌帮忙生产人工蜘蛛丝。与此同时，英国科学家则利用凝胶成功研制出了一种高弹性、超强韧的纤维，其抗拉强度约为天然蜘蛛丝的1/10，优于现有的粘胶纤维、人造丝等合成纤维及动物毛发等天然纤维。
接力人工蜘蛛丝，中国科学家有新招
当世界各大科技强国纷纷致力于人工蜘蛛丝的研究时，中国自然也不甘落后。
早在数千年前的商周时期，中国人的祖先就已懂得“师法自然”，利用蚕丝来制造各种丝线、丝带和丝织品;数干年后的今天，中国科学家传承老祖宗“师法自然”的智慧，继续从与人类共存的万物身上寻找科学进步的灵感。
近年来，中国科学家在仿生学方面取得了一系列可喜成果，如可在水下连续工作数小时的仿生机器鱼、能够释放特殊气味并捕杀有害飞蛾的仿生诱芯、具有防风导湿功能的KEG保温面料等。2019年11月，中国科学界又传出一大喜讯：经过3年努力，南开大学药学院刘遵峰教授团队已成功研制出了一种由全新材料制成的、具有超强性能的人工蜘蛛丝。
据团队研发人员透露，跟先前的其他人工蜘蛛丝相比，这种用新材料制成的人工蜘蛛丝具有三大优点：力学性能几乎达到了天然蜘蛛丝的水平，而且在韧性等一些方面的表现甚至超过了天然蜘蛛丝;制造原料为水凝胶纤维（主要成分为化合物聚丙烯酸），大大降低了制造成本;制造工艺非常简单，为批量生产提供了可能。
为了测试这种人工蜘蛛丝的性能，研究团队曾做过一次室内试验：实验人员采用不同材质的网承接从10米高处坠落的鸡蛋，结果发现，只有人工蜘蛛丝制成的网在承接鸡蛋后不会出现鸡蛋外壳破碎的情况。这说明人工蜘蛛丝具有很好的缓冲力，在遭遇冲击时会吸收对方的能量，并通过收缩原理保持形态完整。
目前，人工蜘蛛丝的技术仍处在实验阶段，研究团队正致力于继续提高其拉伸强度等性能。不过，我们不难展望，在不久的未来，当人工蜘蛛丝投入生产之后，手腕粗的钢缆将被小指头粗细的蛋白质绳索取代，防弹服会像衬衣一样轻。当高层发生火灾时，人们也不必再担心逃生困难了——只须消防员或邻居在楼下拉开一张人工蜘蛛网，被大火困住的人就可及时跳楼逃生;被困者还可以使用由人工蜘蛛丝制成的绳索实现缓降自救，这根特殊的绳索可以缓慢拉伸且不会像橡皮筋一样快速回弹，这就大大降低了人体下降的速度，从而起到缓冲作用。
（责任编辑：白玉磊责任校对：赵梦祺）