劍橋大學PNAS：發現合成無毒高強度人工蛛絲新方法

【引言】

新的人造纖維在室溫下由水凝膠的湯質材料紡絲制成，成本較低，生產過程綠色環保，同時具有許多真正的蜘蛛絲的神奇性質。如果實現商業化生產，其有望用于制造紡織品、傳感器和其他材料。纖維材料對我們的日常生活有很大的影響他們的用途范圍從紡織品到功能性增強在復合材料。雖然人造的制造過程纖維可能受到廣泛的能量消耗的限制，蜘蛛可以容易地在室溫下旋轉絲纖維。最近，基于的材料在自組裝水凝膠上，用動態宿主-功能性聚合物之間的客體交聯。超分子纖維可以在室溫下從該水凝膠中拉出。超分子纖維表現出更好的拉伸和阻尼性能比傳統的再生纖維，如粘膠，人造絲綢和頭發。該方法是可持續的替代目前的纖維制造策略。

【成果簡介】

劍橋大學Oren A. Schermana（通訊作者）課題組在PNAS上發表了題為“Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel” 的文章。該研究團隊利用98wt％的水組成超分子聚合物膠體水凝膠（SPCH）拉伸成均勻的超分子纖維。官能化聚合物接枝二氧化硅納米顆粒，半結晶羥乙基纖維素衍生物等多次進行水性自組裝長度縮放形成SPCH分子水平的相互作用和納米纖維并表現出獨特的組合剛度和高阻尼能力（60-70％）。由復雜組合產生以及SPCH內的“硬”和“軟”階段的相互作用和成分顯著的阻尼性能分層結構的纖維。

【圖文導讀】

圖1 SPCH自組裝

（A）CB在水中的兩步三組分結合的示意圖；

（B）層次結構的示意圖。

圖2 SPCH的制作和流變特性

（A）倒置小瓶試驗的照片，顯示了水凝膠的形成；

（B）流變學在20℃（ω=10rad/s），材料表現出廣泛的粘彈性；

（C）頻率依賴的振蕩流變學示意圖；

（D）施加的振蕩應變的階躍應變測量的示意圖。

圖3 SPCH的結構分析

（A）從SPCH儲存器抽出的水凝膠絲的照片；

（B）纖維在水凝膠長絲經歷快速脫水后，超分子的照片；

（C）超分子纖維的SEM圖像；

（D）聚焦超分子纖維橫截面積的離子束SEM圖像；

（E-G）SPCH的內部結構的低溫SEM圖像顯示其具有納米尺度原纖維的層次性質特征；

（H，I）水凝膠長絲內的分子結構。

圖4 超靜電和循環拉伸載荷的超分子纖維的機械性能

（A）纖維應力-應變響應的圖示；

（B）經受單一纖維的代表性應力-應變曲線；

（C）代表性應力應變曲線；

（D）阻尼能力，恢復應變和永久變形的演變施加應變的線性擬合。

圖5 超分子機械性能的比較

纖維（紅色）與其他典型的技術纖維的阻尼能力，超分子纖維超過生物絲綢，與之相當的粘膠，成為能量吸收應用的良好候選。

【小結】

該研究團隊展示了組裝分層SPCH的方法基于CB主客-體化學。 通過引入功能聚合物接枝二氧化硅NPs成功修改了內部凝膠的結構在納米級并受益H1的半結晶性質，允許顯著提高材料的彈性。已經報道從極高含水量中抽出的超分子纖維SPCH在室溫下。合成生物相容纖維表現出強度和高阻尼的獨特組合容易通過詳細操作的能力了解層次組裝結構和基礎CB [8]主客-體化學。改變SPCH的化學和加工方法使得超分子纖維具有全范圍的可調性能，促使纖維可以在低溫下生產，更貼近可持續的纖維技術。

文獻鏈接：Bioinspired supramolecular fibers drawn from a multiphase self-assembled hydrogel（PANS, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1705380114）

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