新發現：蛛絲中的“聲子禁帶”

來自萊斯大學及歐洲和新加坡的科學家通過研究蛛絲的微觀結構來查明其傳遞聲子的方式（注：聲子是聲音的量子，具有熱學特性）。他們認為這項研究成果有助于合成擁有蛛絲特性的高強度纖維材料。
根據科學家們的描述，蛛絲中的這項新發現有助于研發一種全新的材料來控制聲與熱，就像半導體元件控制電。
研究成果發表在Nature Materials上，研究角度定向于蛛絲的微觀結構，并揭露其傳播聲子(即聲音的準粒子)的獨特方式。
該研究首次發現蛛絲有聲子禁帶。這意味著蛛絲可以阻止特定頻率的聲波，類似半導體中的電子禁帶對電子的選擇性阻擋。

研究者們寫道，這是首次對“生物材料中的超音速聲子禁帶”進行觀察研究。

雖然對于蜘蛛利用這些性質的方法仍有待研究，但該文章的共同作者，材料科學家萊斯大學工程院院長Edwin Thomas認為蛛絲中的微觀晶體結構可以應用到聚合物中，以獲得動態可控超材料，如聲子波導材料，聲絕緣和熱絕緣材料

Thomas描述道，聲音是機械波，如果材料中存在彈性模量及密度不同的區塊，聲波就會對此作出反應：分散。分散的具體情況則取決于分散發生處各區塊的排布及連接情況。

蜘蛛擅于在蛛網中解讀及發出振動，利用這種能力來鎖定蛛網中的異常并確定獵物的情況。由此可推測，蛛絲應可以傳遞較大頻譜范圍的聲波并能被蜘蛛以多種方式解讀。但是研究人員同時發現蛛絲也能抑制一些特定的聲音。

在2005年，Thomas和一位來自克里特大學、希臘電子結構所和激光科技研究基金會的材料科學家George Fytas合作于一個探明超音速聲學晶體性質的項目。在該項工作中，研究人員測量材料中聲音的傳播情況，并在含有有序間斷晶體的人工合成聚合物中發現（聲子）禁帶。

Thomas認為，聲子晶體材料賦予了人們操控聲波的能力，而當聲音足夠小且頻率足夠高時，聲音近似于熱。有選擇地讓熱傳遞，或者完全阻擋熱傳遞，這意味著制造一種全新的熱絕緣材料成為可能。

牽引絲常被蜘蛛用于蛛網中的外框和輻線，或單獨懸吊時的生命線。Fytas和Thomas決定在牽引絲上進行研究以獲得更多細節。雖然蛛絲已經被人們研究了幾千年，但這是首次在聲學方面被用于分析研究。

蛛絲的分級結構由薄膜狀的蛋白質晶體所構成。這些較堅固的蛋白質晶體由較柔軟的無定形鏈所連接。繃緊或松弛這些鏈可以調節晶體間的機械連接，并使得其聲學特性發生變化。

在德國美因茨的馬克斯?普朗克聚合物研究學會里，Fytas的團隊在不同的壓力下對蛛絲進行布里淵光散射實驗（BLS）。Thomas說，這就是George的聰明之處：通過布里淵光散射，光在試樣中可產生或吸收聲子。BLS使得他們能在不同的溫度或材料微觀結構下觀察任何物體中聲子的運動情況。

研究觀察到當蛛絲被“極度壓縮”時，聲子運動速度降低了15%，頻率禁帶寬度增大了31%；相反地，當蛛絲被拉伸時，聲子的運動速率增加了大約27%，禁帶寬度減少了33%。當他們首次在自然情況下的蛛絲中發現禁帶時，其位置大概在14.8GHz處，寬度約為5.2GHz。

研究團隊還發現有一個有趣的現象：“負波團速度區域”。在這些區域中，聲子波向正方向推進，而相速度卻沿反方向。Thomas表示這種效應又會助于聚集超音速聲子。

現在他們仍無法在其他高分子纖維材料中做到這種效果。Thomas補充道，對于合成聚合物（如尼龍）雖然已經有了大量的研究，但從未有人在其中發現（聲子）禁帶。

參考原文鏈接：Spiders spin unique phononic material: Researchers discover band gaps in spider silk

本文由編輯部張瑩提供素材，梁嘉豪編譯，丁菲菲審核，點我加入材料人編輯部。

材料人網尊重所有進行知識傳播的媒體，轉載請聯系tougao@cailiaoren.com