中國科學家研制出具有超強性能的人工蜘蛛絲水凝膠蜘蛛絲，見證“蜘蛛俠”的神奇魔力

王月亮

《蜘蛛俠》系列電影的熱映，讓少年彼得·帕克成了無數(shù)人心目中的超級英雄。然而，當普通觀眾沉迷于虛幻的漫威世界、為蜘蛛俠的超能力所傾倒時，世界各國的科學家們則正在努力扮演現(xiàn)實中的彼得·帕克，默默地研制著具有驚人物理性能的人工蜘蛛絲……

不起眼的蜘蛛，了不起的蜘蛛俠

蜘蛛是一種低調(diào)而生命力頑強的小昆蟲，不論是在人類城市，還是在野外叢林，只要留心觀察，人們便可發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。它們常常將一張張蛛網(wǎng)結(jié)在屋子的墻角、門后，或一些透光的樹枝間，這些蛛網(wǎng)是它們的捕食神器——總有些沒頭沒腦的小昆蟲會闖入這些陷阱，被蛛網(wǎng)牢牢粘住，結(jié)果成了蜘蛛的美餐。

雖然蜘蛛尋?？梢?，但由于它們怕光，常常晝伏夜出，行動時又總是悄無聲息、非常低調(diào)，所以人們很少注意到它們。在普通人心目中，蜘蛛是一種毫無地位的存在，它們往往只在主婦開展年終大掃除時被注意到，隨后連同蛛網(wǎng)一起被雞毛撣子、除塵掃把等無情地揮走。

有意思的是，現(xiàn)實中的蜘蛛卑微到塵埃里，來自幻想的蜘蛛俠卻登上大銀幕，在全世界擁有不計其數(shù)的粉絲。人們傾慕蜘蛛俠的超能力，羨慕他那具有超強韌性、能夠牽引即將傾倒的大廈、能夠拉住快速奔馳的火車的神奇蜘蛛絲——殊不知，這種蜘蛛絲并非真的是異想天開，而是有著現(xiàn)實的科學依據(jù)。

科學家們通過研究發(fā)現(xiàn)，人們眼中不起眼的蜘蛛絲，其實在很多方面有著驚人的物理性能。比如，它的抗拉強度（即在拉伸條件下的最大承載力）可以跟應(yīng)用于橋梁、建筑等重要工程的高級合金鋼相媲美。而號稱刀槍不入、被廣泛運用于防彈衣制造的凱夫拉纖維的抗拉強度，也不過是蜘蛛絲的2倍。

但是，金屬和凱夫拉纖維的韌性較差（在塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力，韌性越好，發(fā)生脆性斷裂的可能性越?。?guī)缀醪痪邆渖扉L的特性;而蜘蛛絲韌性極佳，且在自然狀態(tài)下可伸長40%，在高度潮濕的環(huán)境下則可伸長5倍！尤為值得一提的是，蜘蛛絲伸長后不反彈，在高濕環(huán)境中，被拉長的蜘蛛絲還能逐漸恢復(fù)到原來的長度。

此外，蜘蛛絲還有一大“特異功能”：當我們將重物懸掛在一根普通細線上時，可看到細線來回擺動旋轉(zhuǎn)，但蜘蛛絲不會發(fā)生這種情況。研究人員解釋，這是因為蜘蛛絲在受到拉伸時會發(fā)生部分彎曲，從而驅(qū)散了大部分儲存在扭轉(zhuǎn)中的能量。正是由于這一點，蜘蛛才得以順著拖絲從高處優(yōu)雅地降落，而不會在空中尷尬地轉(zhuǎn)個不停。

你也許會心存懷疑：“是嗎？既然蜘蛛絲這么厲害，為什么它一揮即斷呢”

沒錯，蜘蛛絲給人的印象的確非常脆弱，但如果你知道一根蜘蛛絲的直徑還不到干分之一毫米，想必就不會這么問了。有研究者做過計算，要是將蜘蛛絲的直徑放大到一根鉛筆芯那么粗，其韌性將使它能拉起一艘萬噸級的遠洋貨輪！

每個科學家都是腦洞大開的彼得·帕克

一根不起眼的蜘蛛絲，為什么會具有以上種種近乎神話的特異性能呢？

為回答這個問題，科學家對蜘蛛絲的分子結(jié)構(gòu)和特性進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲蛋白有著半結(jié)晶狀態(tài)的分子彈簧結(jié)構(gòu)，讓蜘蛛絲具備了強度高、韌性大、耐疲勞等優(yōu)異的物理性能。科學家還通過原子力顯微鏡觀察到，每根蜘蛛絲其實是由上千根更小的納米級蜘蛛絲組成的，這讓蜘蛛絲擁有了超強的韌性。

材料科學家們非?？粗刂┲虢z的優(yōu)良性能，希望發(fā)明一種功能強大且可運用于實際生活的人工蜘蛛絲。

起初，研究者們曾嘗試使用蜘蛛絲蛋白直接紡絲。這無疑是最簡單的方法，但由于蜘蛛有同類相食的秉性，無法像家蠶一樣進行大規(guī)模養(yǎng)殖，而且蜘蛛結(jié)網(wǎng)主要為了捕食，產(chǎn)量很低，科學家不得不放棄大規(guī)模飼養(yǎng)蜘蛛來獲取蜘蛛絲的方法。

除了從蜘蛛那里獲取蜘蛛絲，科學家們還曾嘗試利用蠶絲蛋白來制造人工蜘蛛絲。在這方面，相關(guān)研究已經(jīng)取得了一定成就，但這種方法很難量產(chǎn)。

當然，也有不少科學家另辟蹊徑，嘗試利用仿生學知識及其他高科技手段來制造人工蜘蛛絲。2017年，瑞典科學家研發(fā)出一種模擬蜘蛛吐絲過程的仿生學吐絲裝置，通過降低pH值，讓細菌幫忙生產(chǎn)人工蜘蛛絲。與此同時，英國科學家則利用凝膠成功研制出了一種高彈性、超強韌的纖維，其抗拉強度約為天然蜘蛛絲的1/10，優(yōu)于現(xiàn)有的粘膠纖維、人造絲等合成纖維及動物毛發(fā)等天然纖維。

接力人工蜘蛛絲，中國科學家有新招

當世界各大科技強國紛紛致力于人工蜘蛛絲的研究時，中國自然也不甘落后。

早在數(shù)千年前的商周時期，中國人的祖先就已懂得“師法自然”，利用蠶絲來制造各種絲線、絲帶和絲織品;數(shù)干年后的今天，中國科學家傳承老祖宗“師法自然”的智慧，繼續(xù)從與人類共存的萬物身上尋找科學進步的靈感。

近年來，中國科學家在仿生學方面取得了一系列可喜成果，如可在水下連續(xù)工作數(shù)小時的仿生機器魚、能夠釋放特殊氣味并捕殺有害飛蛾的仿生誘芯、具有防風導(dǎo)濕功能的KEG保溫面料等。2019年11月，中國科學界又傳出一大喜訊：經(jīng)過3年努力，南開大學藥學院劉遵峰教授團隊已成功研制出了一種由全新材料制成的、具有超強性能的人工蜘蛛絲。

據(jù)團隊研發(fā)人員透露，跟先前的其他人工蜘蛛絲相比，這種用新材料制成的人工蜘蛛絲具有三大優(yōu)點：力學性能幾乎達到了天然蜘蛛絲的水平，而且在韌性等一些方面的表現(xiàn)甚至超過了天然蜘蛛絲;制造原料為水凝膠纖維（主要成分為化合物聚丙烯酸），大大降低了制造成本;制造工藝非常簡單，為批量生產(chǎn)提供了可能。

為了測試這種人工蜘蛛絲的性能，研究團隊曾做過一次室內(nèi)試驗：實驗人員采用不同材質(zhì)的網(wǎng)承接從10米高處墜落的雞蛋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有人工蜘蛛絲制成的網(wǎng)在承接雞蛋后不會出現(xiàn)雞蛋外殼破碎的情況。這說明人工蜘蛛絲具有很好的緩沖力，在遭遇沖擊時會吸收對方的能量，并通過收縮原理保持形態(tài)完整。

目前，人工蜘蛛絲的技術(shù)仍處在實驗階段，研究團隊正致力于繼續(xù)提高其拉伸強度等性能。不過，我們不難展望，在不久的未來，當人工蜘蛛絲投入生產(chǎn)之后，手腕粗的鋼纜將被小指頭粗細的蛋白質(zhì)繩索取代，防彈服會像襯衣一樣輕。當高層發(fā)生火災(zāi)時，人們也不必再擔心逃生困難了——只須消防員或鄰居在樓下拉開一張人工蜘蛛網(wǎng)，被大火困住的人就可及時跳樓逃生;被困者還可以使用由人工蜘蛛絲制成的繩索實現(xiàn)緩降自救，這根特殊的繩索可以緩慢拉伸且不會像橡皮筋一樣快速回彈，這就大大降低了人體下降的速度，從而起到緩沖作用。

（責任編輯：白玉磊責任校對：趙夢祺）