来自先进结构与仿生材料的新启迪
2017-03-17

1. 解析动物丝的分子结构,预测动物丝的力学行为

 

 

 

动物丝是由吐丝动物通过特殊进化的纺器纺出的一类半结晶的天然结构纤维。这些纤维种类繁多,其中有两位名人,一位是蜘蛛主腺体丝/牵引丝;另一位则是桑蚕丝。蜘蛛牵引丝最引人关注的是它出色的力学性能,最高韧性可达350MJ/m3 [1],最高延伸率可达50%,曾一度被称为生物钢(Bio-steel)。而桑蚕丝自古以来就是一种上等的纺织原料,它的光泽度、透气性和热传导等优异特性超越了其他植物纤维和合成纤维。对于天然动物丝的分子结构,多年来学界一直存在争议,而建立动物丝特别是蜘蛛丝的分子结构模型和预测其力学行为也成为该领域的挑战之一。

管娟博士及其合作者运用动态力学热分析(Dynamic Mechanical Thermal Analysis / DMTA),克服了蜘蛛丝单丝直径只有几微米的实验操作困难,获得了包括蜘蛛丝在内的多种动物丝样品的动态力学温度谱,首次定量分析了动物丝的玻璃化转变行为及其影响因素。

动物丝的半结晶结构可以用三个结构参数来描述,即有序结构和无序结构的组成比/结构无序度fdis、有序结构/晶体的熔点和无序结构/玻璃态结构的玻璃化转变点。通过拓展基团相互作用理论,引入定量的氢键相互作用来细化蛋白质分子代表性基团之间的相互作用势,结合动态力学温度谱实验数据,不同动物丝的结构无序度和玻璃态结构的玻璃化转变点可以被定量解析,从而得到动物丝三个结构参数中的两个。这项工作还向人们揭示了天然蛋白质高分子具有优异力学性能的原因是其强烈的分子间相互作用,包括高密度的分子间氢键。该研究[2]发表在英国皇家化学会旗下杂志《软物质》上,为后续探索其他天然生物高分子的结构-性能的关系奠定了理论基础。

 

2. “强而韧”的野生蚕茧为人造纤维增强复合材料带来新启迪

 

蚕茧是某些鳞翅目昆虫在变态期来临之前通过吐丝缠结而成的防御“堡垒”,它能守护蚕蛹度过漫长的变态期。在中国北方的森林里,生活着一种学名为Antheraea pernyi的野生柞蚕,它体型较大,为了抵御冬季的严寒和天敌的猎食,它的蚕茧通常具有密闭性好、力学性能优异的特点。而在中国南方(浙江、广西等地),每年的春天和秋天,蚕农们会养殖桑蚕来获得桑蚕茧,进而得到桑蚕丝作为上等的纺织原料。从蚕茧的功能性来讲,柞蚕茧是柞蚕赖以生存和繁衍的重要工具,而桑蚕茧则是人们获得蚕丝的一个中间过程。

从材料组成来讲,两种蚕茧都是蚕丝纤维的复合材料,均包含丝芯纤维和丝胶粘合剂。实验证明,两种蚕茧的微观结构存在很多差异,其力学性能也迥然不同,柞蚕茧的拉伸强度和断裂吸能分别为家蚕茧的2倍和5倍。材料学院管娟博士和交通学院许骏博士的团队合作对野生柞蚕茧这种纤维复合材料进行研究,实现了微观结构参数的提取、有限元分析、建模,给出了既强又韧的纤维复合材料的必备条件:(1)坚固的网络结构和粘结强度,这一条件可以通过增加纤维粘结面积、降低胶黏层厚度、增加交联密度等途径来实现;(2)强韧的纤维,在坚固的网络支持下,既有强度又有韧性的纤维能够使复合材料的失效行为发生由脆到韧的转变,而只有高强度没有高韧性/断裂伸长率的纤维并不能实现纤维复合材料的强韧化。该研究不仅能够帮助设计力学性能更加优异的纤维复合材料,而且能够有效地预测纤维复合材料的力学行为。

 

 

 

图 (A)(B)家蚕茧和柞蚕茧的宏观形貌;(C)两种蚕茧壳作为纤维复合材料迥然不同的拉伸应力-应变曲线。

 

管娟,材料科学与工程学院,副教授,卓越百人,E-Mail: juan.guan@buaa.edu.cn

 

 

参考文献

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk

[2] Guan, J.; Wang, Y.; Mortimer, B.; Holland, C.; Shao, Z.; Porter, D.; Vollrath, F. Glass transitions in native silk fibres studied by dynamic mechanical thermal analysis. Soft Matter 2016, 12 (27), 5926-36.

[3] Xu, J.; Zhang, W.; Gao, X.; Meng, W.; Guan, J. Strain Rate and Anisotropic Microstructure Dependent Mechanical Behaviors of Silkworm Cocoon Shells. PLoS One 2016, 11 (3), e0149931.

[4] Guan, J.; Zhu, W.; Liu, B.; Yang, K.; Vollrath, F.; Xu, J. Comparing the microstructure and mechanical properties of Bombyx mori and Antheraea pernyi cocoon composites. Acta Biomater. 2017, 47, 60-70.