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蚕丝:四千多岁的“新”材料

蚕这样一种小小的昆虫,后来竟成为开辟丝绸之路的“大功臣”,蚕丝也成为散发着现代科学技术魅力的“新”材料

作者/李云哲

蚕丝:四千多岁的“新”材料

一说到蚕,多数人的脑海里会浮现出一条不断蠕动的白色小虫,然后会想到蚕丝和丝绸,进一步则会想到丝绸制成的服装,以及著名的丝绸之路。最早开始驯化蚕的古人何曾想到,蚕这样一种小小的昆虫,后来竟成为开辟丝绸之路的“大功臣”,蚕丝也成为散发着现代科学技术魅力的“新”材料。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

穿越历史的长河

“蚕”,在诗歌中时常可见。汉代乐府诗《陌上桑》中的“罗敷喜蚕桑,采桑城南隅”;唐朝王维《渭川田家》中的“雉雊麦苗秀,蚕眠桑叶稀”;北宋欧阳修《归田园四时乐春夏二首(其二)》中的“麦穗初齐稚子娇,桑叶正肥蚕食饱”……这些或朴实清静或明快轻愉的诗句,无一不在轻叙着“蚕”在古代农家中的重要地位。

1972年,长沙马王堆辛追夫人墓出土了一批惊艳世人的文物,其中一件衣服——素纱单衣,尤其引人注目。这件衣服薄如蝉翼,似云雾般轻柔,是迄今为止发现的最早、最薄、最轻的文物服饰珍品,为西汉时期纺织技术巅峰之作。素纱单衣面料所用的丝线,便是由具有四五千年使用历史的动物源纤维——蚕丝所制而成。而不论是西汉丞相夫人简洁清朗的素纱单衣,还是清朝皇后繁复华丽的吉服,都少不了蚕丝的参与。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

长沙马王堆辛追墓出土的素纱单衣(藏于湖南省博物馆)(图片来源/Wiki)

被驯化的“吐丝神器”

蚕(Bombyx mori),蚕蛾科昆虫,是迄今唯一被人类成功驯化的昆虫。经过数千年的人工选育,相较于蚕蛾科的其他成员,家蚕的进食量惊人,而且对居住环境也比较挑剔。因此,它们十分依赖人工精心饲养。

制作丝织品的蚕丝取自蚕茧。蚕在准备化蛹时会吐丝结茧,蚕茧一般为白色或淡黄色,由一根丝线结成,丝线长度为300~900米。蚕丝由蚕的丝腺产生,待腺体里的分泌物分泌殆尽,结茧过程结束。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

结好的蚕茧

蚕丝不是直接剥离抽取后就能使用,而是首先需要将蚕茧在热水中浸泡,然后找到蚕茧上的丝头,用手将抽出的丝线绕于丝筐上。古代的中国人称此工序为“缫丝”。以前的缫丝都是纯手工操作,而纺织工业兴起后,手工便逐渐被机器替代。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

机器正在进行缫丝工序

向“新”材料华丽转身

蚕丝的主要成分是丝胶和丝素,这两者都是由氨基酸组成的蛋白质。丝胶为球状蛋白质,易溶于水,而丝素为纤维状蛋白质,难溶于水。蚕丝单丝的中间为丝素纤维,外围是丝胶,然后两根单丝平行黏合成蚕丝。

丝素蛋白含量占蚕丝的70%~80%,由18种天然氨基酸组成。其中小侧基的甘氨酸(Glycine)、丙氨酸(Alanine)、丝氨酸(Serine)占比在80%以上,多位于丝素蛋白的结晶区;而带有较大侧基的苯丙氨酸(Phenylalanine)、酪氨酸(Tyrosine)、色氨酸(Tryptophan)等氨基酸则主要分布于丝素蛋白的非结晶区。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

丝素蛋白所含部分种类氨基酸的分子结构式(供图/李云哲)

蚕丝由家蚕5龄幼虫的不同丝腺合成。中部丝腺和后部丝腺分别合成丝胶蛋白和丝素蛋白,经过一系列的pH梯度变化及钾离子和钙离子浓度的调节后,丝蛋白向前部丝腺的压丝部移动,最终由吐丝孔牵引而出,固化为蚕丝。在上述过程中,蚕丝蛋白的结构由α-螺旋或不规则卷曲β-折叠转变,使得蚕丝获得了更好的力学性能。在蚕丝蛋白纤维化的过程中,前部丝腺发挥了重要作用。

作为唯一可以量产的天然长丝纤维,蚕丝具有较好的吸湿性能,同时也极为强韧。但涤纶、氨纶、腈纶等合成纤维的大量制造,不断变化的市场需求,以及天然蚕丝抗皱性能差、易泛黄、抗静电性能差、易起毛球等缺点,使得其相关纺织品产业受到巨大冲击。不过,蚕丝并没有因此而下线,而是在穿过科学家们的“清奇脑洞”之后,焕发了第N春,成为材料界的“新网红”。

作为材料界的“流量担当”,石墨烯和碳纳米管这两种碳材料可谓是集万千宠爱于一身,学术界和工业界都对它们青睐有加。它们如此受欢迎,是不是可以带着蚕丝“一起飞”?当然可以,并且“飞起”的方式有很多种:浸渍、喷涂、旋涂、化学交联等,从而将石墨烯/碳纳米管附着于蚕丝表面。但有人觉得这种方法太复杂,便直接给蚕宝宝喂食石墨烯/碳纳米管,来提升蚕丝的性能。

碳纳米管结构

2016年,来自清华大学化学系的张莹莹副教授团队发表在国际纳米领域顶级杂志《纳米快报》(Nano Letters)的一篇题目为《以单壁碳纳米管或石墨烯喂养蚕,以获得增强的蚕丝纤维》(Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers)的文章,吸引了很多人的目光。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

正在进食的蚕

研究团队在蚕宝宝3龄时开始喂食喷洒了石墨烯/碳纳米管水溶液的桑叶,一直持续到蚕宝宝吐丝结茧。结果发现,如此获得的蚕丝在强度和韧性上比空白对照样品显著提高,而且这些含有石墨烯/碳纳米管的蚕丝经过高温碳化处理后,形成的碳化纤维导电率显著提高。他们还发现,喂食少量的石墨烯/碳纳米管对蚕的生长和蚕茧的形貌没有明显影响,且蚕丝和蚕的排泄物中存在碳纳米材料。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

给蚕喂食石墨烯/碳纳米管实验过程示意(图片来源/ACS Publications)

蚕丝除了可以跟石墨烯/碳纳米管“合作”,还可以跟二氧化钛、二氧化硅纳米颗粒形成复合材料;同时,其经过静电纺丝和高温碳化处理可形成具有高导电性的石墨化微晶纳米纤维膜。因此,蚕丝及其衍生材料在柔性可穿戴设备、智能织物等领域具有较大的应用潜力。

就在8月11日,《自然-纳米技术》上刊登了中科院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎课题组联合美国纽约州立大学石溪分校和得州大学奥斯汀分校相关课题组首次实现基于蚕丝蛋白的高容量生物存储的报道。

随着人类活动对信息依赖程度的日益提高,信息产生量和信息种类呈指数级增长,对信息存储条件的要求也越来越苛刻。当前的半导体存储技术越来越难满足日益增长的信息存储需求。

科学家们在一种古老天然产物中找到了新灵感。得益于蚕丝蛋白所具备的自身特性,结合高精度近场快速读写手段,此次研发的蚕丝蛋白存储器作为一种高容量、高可靠性的新型存储技术,具有如下优势:1)存储容量大(~ 64 GB/inch2);2)原位可多次重复擦写;3)能在高湿度(90 RH%)、高磁场(7 T)或强辐射(25 kGy)等恶劣环境下长期稳定工作;4)可以同时存储二进制数字信息以及与生命活动直接相关的生物信息;5)可以植入生物体永久保存,也可以在预设的时间内可控降解。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

写入数据后的蚕丝蛋白硬盘存储器 供图/中科院上海微系统与信息技术研究所 来源/光明网

也就是说,这种新型存储器不仅可以像普通半导体硬盘那样存储数字信息,还可为活性生物信息储存提供一个功能巨大的平台,用于采集存储生物信息,同时存储生物体DNA和血液样本等。同时,还能通过调控蛋白质的降解速度,按照预设的时序可控销毁,从而用于信息保密。

走过数千年,蚕和蚕丝依然吸引着世人的目光,保有着经汩汩流年沁润的光泽,同时也孕育着汹涌勃发的新活力,在古老与传统中,逐渐彰显现代和新兴的模样。

蚕丝:四千多岁的“新”材料

蚕孕育着新活力

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