纳米原纤维研究成功测量蜘蛛网超级纤维的强度

“多小才算小?”蜘蛛丝纳米纤维只有几个分子层厚，相当于人类头发直径的万分之一左右。肉眼无法看到它们，在普通显微镜下也无法看到。

在威廉玛丽学院，应用科学博士生杰克·西利曼 (Jake Silliman) 最近测量了这些微小纳米原纤维的强度和拉伸性，他的导师、长期研究蜘蛛丝的 VMEC 教授汉内斯·施尼普 (Hannes Schniepp) 之前认为这几乎是不可能的。

“其他人也尝试过，”施尼普说。“大多数人都放弃了，但杰克没有放弃，他成功了。如果你能理解他需要做些什么，你就会觉得他真的很棒。事实上，想想这是可能的，这有点疯狂。”

此类创新研究凸显了威廉与玛丽大学新成立的计算、数据科学与物理学院的前景。此外，西利曼与施尼普之间的研究合作也是该大学努力提供美国所有公立大学中最个性化教育的一个例子。

“我的伟大使命之一就是从大自然中汲取灵感，开发新材料和新技术，”近 15 年来一直在研究蜘蛛丝的施尼普说道。“我们人类认为自己很伟大，可以发明各种东西，但如果你走出去，就会发现很多更令人兴奋的东西。”

按重量计算，蜘蛛丝的强度大约是钢的五倍，但施尼普指出，这种材料更令人印象深刻的是它的延展性。强度和延展性的结合使其能够吸收大量能量。如果人类找到复制蜘蛛丝结构的方法，它就可以被制造出来用于实际应用。

“你可以用它制作一根超级蹦极绳，”施尼普说。“或者在建筑物周围形成一个防护罩，当有物体以高速袭来时，你需要吸收大量的能量。诸如此类。”

蜘蛛网丝在普通观察者看来可能很简单，但仔细观察就会发现，它们是由相互交织的组件组成的复杂结构。Schniepp 解释说，蜘蛛有大约 50,000 种不同的种类，每种蜘蛛都会产生自己独特的丝。由于在南方家蜘蛛的结构中发现了纳米纤维网，因此在本次实验中使用了南方家蜘蛛的丝。

南方家蜘蛛的纺丝装置由数百个喷嘴组成，这些喷嘴在蜘蛛后腿的帮助下构成了复杂的三维丝线。丝线的核心由两种不同的经线组成，它们围绕中心基础纤维形成螺旋状环。最细小的纤维，即纳米原纤维，同时被纺成围绕这些支撑结构的网状物。

一些蜘蛛的网是通过沿着丝线均匀分布的胶滴来捕获猎物，而南方家蜘蛛所吐出的筛状丝线则是通过缠绕、范德华力和毛细管粘附的方式将猎物诱捕到网中。

为了找到并测量南方家蜘蛛丝网内纳米原纤维的强度和拉伸性，西利曼使用了原子力显微镜(AFM)，这是一种可用于研究极其微小物体物理特性的强大技术。

西利曼将蚕丝中的纳米纤维剥离到拇指尖大小的硅片上，硅片上有大约 200 万个孔，每个孔的直径为 200 纳米。然后，他探测了拉伸到孔上的纤维，并测量了它们的强度和拉伸性。

“基本上，你使用一根非常非常小的针头——针头末端只有几纳米宽——然后用它轻敲样本，”他说。“这会逐像素地构建地形图，从而为你提供图像。”

施尼普解释说，针尖非常锋利，末端只有几个原子那么厚。

“你用最好的光学显微镜也看不到它的尽头，”他说。“它会消失，因为它太小了，你根本看不见。它可能是地球上最发达的技术之一。”

该技术非常敏感，地下实验室建在由钢弹簧支撑的混凝土板上，测量时显微镜平台悬挂在蹦极绳上。这些结构改进有助于隔离显微镜的振动。

由于 AFM 针头非常小，扫描过程非常缓慢。Silliman 表示，一小时内他可能能够扫描 30 到 40 个微小的孔洞。

“你只需要不断进行扫描，并希望找到一种纳米纤维，将其放置在一个洞上，这样你就可以真正进行测试了，”他说。“经过足够多次的迭代，我们终于有机会用同一根针进行微小的机械测试。你推动纤维，然后你就可以根据这些测量结果和其他材料特性计算出纤维的强度。”

西利曼和施尼普发现，纳米原纤维可以拉伸至原来长度的 11 倍，是之前测试过的任何蜘蛛丝的两倍多。

“蜘蛛丝本身就很神奇，”施尼普说，“但看看这些微小的纤维，它们的弹性就更大了。了解这些结构可以生产出一种可以吸收大量能量的材料，因为它的弹性非常大。我们希望越来越深入地弄清楚蜘蛛丝的特殊之处，我认为还有更多的惊喜在等着我们。”

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