高科技“加持” 蠶寶寶吐出“超強”絲 時間：2016-11-18 作者： 瀏覽次數：次
給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后，其吐出的蠶絲韌性增加了一倍，碳化蠶絲的電導率高出10倍。這種“超強”蠶絲可應用在耐久防護織物、可生物降解的醫學植入物及環保型可穿戴電子設備中。
每個愛自然的孩子，可能都有過養蠶的經歷。嫩綠的桑葉，白胖的蠶寶寶，結在掃把上花生大小的蠶繭，成為了兒時記憶里快樂的片段。最近，一則來自《科學美國人》雜志網站的報道，讓蠶寶寶成為了話題的“主角”。報道稱，清華大學研究人員給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后，其吐出的蠶絲更加結實強韌。這種含有碳納米材料的蠶絲可應用在耐久防護織物、可生物降解的醫學植入物及環保型可穿戴電子設備中。
被高科技“加持”的蠶寶寶吐出的“超強”蠶絲，或許只有蜘蛛俠噴射的蛛絲能媲美。那么，好奇心帶來了一串問題：加了石墨烯的桑葉，蠶寶寶們吃得慣嗎？“超強”蠶絲有多強？用它做成的可穿戴電子設備啥時候面世？
誤打誤撞的“超強”蠶絲發現之旅
碳納米管或石墨烯，聽上去都不像是正經食物。怎么會想起給蠶寶寶喂食一些和桑葉八竿子打不著的東西呢？清華大學化學系副教授張瑩瑩介紹，這并非她所在團隊的“首創”，為了讓蠶絲“天生”不一樣，韓國科學家、中國的科學家，此前都曾開展過類似實驗。
研發適用于可穿戴電子設備的材料，是張瑩瑩的主攻方向之一。在她看來，絲綢作為一種親膚的天然材料，是做可穿戴電子設備的首選。作為可穿戴電子設備的材料，不僅對強度、韌性有要求，同時還要具備導電的性能。而蠶絲本身是不導電的，需要通過簡單高溫熱處理將它轉化為高導電性的碳化絲綢。
然而，在高溫碳化的過程里，絲綢會變硬發脆，柔韌性有所降低。能不能通過給蠶喂食導電物質，讓它吐出的絲自帶導電功能呢？帶著這樣的初衷，張瑩瑩和同事直接給蠶幼蟲所食桑葉中噴淋了含有碳納米管或石墨烯的水溶液，然后在幼蟲吐絲結繭后收集蠶絲。
考慮到蠶寶寶的口味和腸胃適應能力，張瑩瑩團隊做了2種配方，分別是濃度為1.0%和0.2%的水溶液，從蠶的三齡一直添加到五齡階段。如同人的年齡一樣，蠶的生長也有蠶齡，第一次蛻皮稱一齡，以此類推，到五齡后，蠶就進入結繭階段。
濃度1.0%的水溶液或許是太重口味了，被喂食此濃度溶液的蠶寶寶會有一部分不幸早夭。但令團隊成員欣慰的是，喂食濃度0.2%溶液的蠶寶寶長得又白又胖，看不出來有任何不適。經過20來天的精心喂養，終于結出了圓潤的繭子。很快，“開獎”的時候到了。令人沮喪的是，收集到的蠶絲并沒有自帶導電功能。然而，驚喜在后頭。研究人員發現，它抵抗外力破壞的韌性增加了一倍，承受的應力高出至少50%。
既然不能導電，還是免不了要碳化。研究團隊將這種絲在惰性氣體中加熱到1050攝氏度，研究碳化后的蠶絲的電導率和微觀結構。這種碳化蠶絲比普通碳化蠶絲的電導率高出10倍左右，并且拉曼光譜和電子顯微鏡成像表明，含有碳納米材料的碳化蠶絲的石墨化程度更高。“通俗一點來說，我們得到的天然蠶絲盡管不能導電，但是它的強度和韌性確顯著提高了。而且碳化后的導電性能要優于普通蠶絲碳化后的表現。”張瑩瑩解釋道。
期待多學科交叉探明內在機理
為什么吃了碳納米管和石墨烯的蠶，會吐出不一樣的絲呢？吃進去的配方溶液在蠶體內是如何吸收轉化的？溶液的濃度和絲的力學性能是怎樣的對應關系？對此，張瑩瑩介紹道，他們的研究表明，較低濃度的碳納米管或者石墨烯可阻止在蠶絲成型過程中絲素蛋白分子中的無規線團結構向β-折疊結構的轉化，從而使所獲得蠶絲具有更高的延展性及韌性。但是，如果碳納米材料的含量過高，會造成結塊等缺陷，使蠶絲的力學性能降低，用1.0%濃度所得到的蠶絲的力學性能比普通蠶絲有下降。
“碳納米管和石墨烯在蠶體內的轉移是一個很復雜的生理過程，具體的機制和影響因素我們還不清楚，希望有生物學背景的團隊能參與進來，幫助揭開謎底，在未來能做出力學和導電性能俱佳的天然蠶絲。”張瑩瑩說道。事實上，受實驗條件限制，張瑩瑩團隊喂養的蠶數量有限，沒有太多的樣本做更為細致的實驗。一方面，養蠶是一個比較繁瑣耗時的過程，另外，北方氣溫相對太低，一年里大部分時間不太適宜蠶的生存。“在第一輪實驗中，我們只進行了兩種濃度溶液的喂養實驗，未來還需要做更多的嘗試，尋找更佳的濃度值，以獲得具有更好的力學性能的蠶絲。”張瑩瑩表示。
在溶液濃度之外，喂養“特殊食譜”的起始時間是另一個值得探索的問題。蠶從3齡到5齡這20多天的時間里，到底什么階段開始喂養效果最佳，也有待進一步的實驗去求證。“我們了解到，蠶的絲腺的發育是從5齡才開始的，因此，有可能3齡到4齡階段的喂養對最后產出的蠶絲并沒有影響。如果這樣的話，我們就可以推遲使用‘特殊食譜’的時間。”張瑩瑩補充道。
據悉，目前已經有對這項技術感興趣的絲綢公司表示愿意提供廠房、批量的蠶寶寶和技術人員，以合作開展更為深入和規模化的實驗。
做離市場化最近的可穿戴器件
盡管給蠶喂食特定濃度石墨烯或碳納米管獲取“超強”蠶絲的研究還處在實驗室階段，但張瑩瑩認為如果將來成功獲得導電的天然蠶絲，將具有一系列重要的應用價值。她介紹說，國內外其他科學家也曾開展過類似的實驗。例如，上海東華大學沈青教授曾在2014年，給蠶喂食了直徑為30納米左右的多壁碳納米管，制造出了新型絲纖維；韓國科學家曾給蠶喂食量子點，獲得了彩色的蠶繭等。來自東華大學的專家認為，張瑩瑩團隊使用的直徑為1—2納米的單壁碳納米管“更適合融入蠶絲蛋白的晶體結構”。
此外，除了上述工作，張瑩瑩團隊還以市面上的普通蠶絲布為原料，發展了高溫碳化技術，可制成高靈敏度、寬應變檢測范圍的柔性可穿戴設備傳感器。這種傳感器可通過直接貼于人體皮膚或負載在衣物、配飾上實現人體全尺度運動的可穿戴式檢測。張瑩瑩非常看好這項技術的市場前景，并申請了相關專利。她介紹說，他們制備出的柔性傳感器在性能指標、穩定性以及成本與制備技術方面都具有顯著的優勢，是離市場化最近的可穿戴電子器件之一。
“這種傳感器對如跑步、跳躍等大尺度運動以及脈搏、微表情、呼吸、聲帶發聲等小尺度運動，都能進行檢測，還可與信號處理及命令生成系統集成，實現對人體運動的捕捉與重建。這項技術在人體生理信號檢測、運動追蹤與肢體康復、虛擬現實、人機交互等方面具有很大的應用潛力。”張瑩瑩進一步舉例道。
用蠶絲做原料，會不會增加可穿戴電子設備的成本？張瑩瑩表示，我國是蠶絲產量最大的國家，蠶絲布料的成本一平方米僅三五十塊錢，而每平方米蠶絲布可制成大量的柔性傳感器；將來如果給蠶喂食獲得導電蠶絲的實驗成功，即使算上給蠶喂食石墨烯或碳納米管的投入，成本也是可以接受的。
由蠶絲做成的可穿戴電子設備，聽上去很炫酷。不久的將來，你或許可以親身一試。
