破解天然丝秘密，制造更强韧合成材料

一种新的对天然丝结构的分析解释了丝的超高强度所隐含的矛盾，同时可能引导研究者制造出更加强韧的合成材料。

作者：戴维·钱德勒（David Chandler）
译者：kiwi

蜘蛛和蚕都是材料科学领域的大师，不过终于科学家正迎头赶上。天然丝是已知最强韧的材料之一，等量的天然丝不仅比钢更强韧，而且没有钢那么易脆。现在，麻省理工学院（MIT）的科学家经过研究已经破解了天然丝的一些最深奥的秘密，这项研究可能能够引导研究者制造出能够与天然丝的非凡特性相媲美、甚至超越天然丝的合成材料。

马库斯·比勒（Markus Buehler），MIT土木与环境工程系（Department of Civil and Environmental Engineering）埃丝特与哈罗德·埃杰顿副教授（Esther and Harold E.Edgerton Associate Professor），他与他的团队研究了一般材料的基本特性，以及这些特性如何在天然丝材料中失灵。对于天然丝，他们的研究方法采用计算机模型，来帮助确定使天然丝材料具有卓越力学特性的分子与原子机制。这些计算机模型不仅能够模拟分子的结构，而且还能模拟分子如何移动以及它们如何互相联动作用。

比勒和他的团队发现，强度与延展性在天然丝上的完美结合——这一能力使得弯曲或者拉伸它都不会造成断裂——是由本身很脆弱的原子键（atomic bond）的一种独特排列方式产生的。博士生锡南·凯滕（Sinan Keten），博士后徐志平以及本科生布兰妮·伊尔（Britni Ihle）都是3月14日发表在《自然材料》杂志（Nature Materials）上的关于这项研究的一篇论文的合著者。

天然丝由蛋白质构成，包括一些形成被称为β褶板（beta-sheet）的平薄晶体的蛋白质。这些褶板通过氢键（hydrogen bond）彼此相连，氢键是最弱的化学键（chemical bond）之中的一个类型，与在大多数有机分子中发现的更强的共价键（covalent bond）大不相同。比勒的团队进行了一系列原子水平的计算机模拟，以考察天然丝中分子失灵的机制。“微小但刚硬的晶体显示了天然丝迅速对断裂的化学键进行重组织的能力，同时作为‘温和地’失灵的一种结果——就是说，逐渐失灵比突然失灵要好，”研究生凯滕解释说。

“在大多数工程材料中——比如，陶瓷（ceramics）——高强度都伴随着易脆性，”比勒说。“而一旦把延展性引入进来，材料就变得脆弱了。”但是天然丝不会这样，尽管它是由原本比较脆弱的结构单元构成的，但是却拥有高强度。这种效果能够产生是因为这些结构单元——微型的β褶板晶体，以及连接它们的丝状物——被排列在一个看起来像一高叠煎饼的结构里，但是每个“煎饼”结构里的晶体结构都在它们自己的方向上交替。细小天然丝的纳米晶体的独特几何结构使得氢键能够协同工作，以抵抗外力而增强邻近的（化学键）链接，这造就了蜘蛛丝非凡的延展性与强度。

这项新研究中一个出人意料的发现是，天然丝的特性对纤维物质中的那些β褶板晶体的确切大小具有一种临界性依赖关系。当晶体大小大约为3纳米（1纳米等于10亿分之一米）时，天然丝材料具有超强的强度与延展性特征。但是当那些晶体增大到5纳米时，天然丝就变得脆弱而且易脆了。

比勒说这项研究的意义远远超出了仅仅理解天然丝的范围。他指出这些发现可能能够被应用到类型更广泛的生物材料——比如木材或者植物纤维——以及仿生材料（bio-inspired material）中，比如新型纤维（novel fiber）、纱线（yarn）和纺织品（fabric）或者器官组织替代材料（tissue replacementmaterial），以制造多种脱离简单而平庸元素的有用材料。比如，他和他的团队正在考察制造具有天然丝相似结构的合成材料的可能性，不过他们使用的却是原本就具有很高强度的分子，比如碳纳米管（carbon nanotube）去制造合成材料（这与天然丝的结构不同）。

比勒说，这项研究的长远影响将是促进一种新型材料设计范式的发展，这个范式能够采用大量廉价的原材料制造高性能材料（像天然丝的形成那样）。这将背离目前的高性能材料制造方式，目前的方式中，强化学键、昂贵的组成成分以及高耗能加工过程（在高温条件下）都是获得高性能材料所必需的。

这项研究主要由美国海军研究办公室（Office of NavalResearch）提供资助，其他提供资助的单位还有国家科学基金会（National Science Foundation）、美国陆军研究办公室（the Army Research Office）、MIT能源计划（the MITEnergy Initiative）以及MIT本科生研究机会计划（MIT’s UROP）与MIT国际科学技术计划-德国项目（MISTI-Germany programs）。

彼得·弗莱特兹尔（Peter Fratzl），位于德国波茨坦（Potsdam）的马普学会胶体与介质研究所（Max Planck Instituteof Colloids and Interfaces）生物材料部教授，他没有参入这项研究，他说“这个研究团队的影响力在于他们分析天然材料时所使用的具有开创性的、多层次理论方法。”他补充道，这是“来自描述氢键如何微弱（微弱到它们可能具有的程度）的理论模型的第一个证据，而且如果在材料内部以一种合适的方式排列，这将能够为材料提供高强度和高韧性。”

德国拜罗伊特大学（University of Bayreuth）生物材料教授托马斯·沙伊贝尔（Thomas Scheibel），他也没有参入这项研究，他说比勒的研究具有“最高水准”，同时将激发大量未来的研究。他说，MIT研究团队的方法“将为更好地理解某些目前尚无法理解的生物现象提供一个基础。”