Amazing ! 四千多岁的蚕丝摇身一变竟成材料“新网红”?

2019年11月18日
一说到蚕,多数人的脑海里会浮现出一条不断蠕动的白色小虫,然后会想到蚕丝和丝绸,进一步则会想到丝绸制成的服装,以及著名的丝绸之路。但最早开始驯化蚕的古人何曾想到,蚕这样一种小小的昆虫,后来竟成为开辟丝绸之路的“大功臣”,蚕丝也成为散发着现代科学技术魅力的“新”材料。
被驯化的“吐丝神器”
蚕(Bombyx mori),蚕蛾科昆虫,是迄今唯一被人类成功驯化的昆虫。经过数千年的人工选育,相较于蚕蛾科的其他成员,家蚕的进食量惊人,而且对居住环境也比较挑剔。因此,它们十分依赖人工精心饲养。
制作丝织品的蚕丝取自蚕茧。蚕在准备化蛹时会吐丝结茧,蚕茧一般为白色或淡黄色,由一根丝线结成,丝线长度为300-900米。蚕丝由蚕的丝腺产生,待腺体里的分泌物分泌殆尽,结茧过程结束。
正在吐丝结茧的蚕
蚕丝不是直接剥离抽取后就能使用,而是首先需要将蚕茧在热水中浸泡,然后找到蚕茧上的丝头,用手将抽出的丝线绕于丝筐上。古代的中国人称此工序为“缫丝”。以前的缫丝都是纯手工操作,而纺织工业兴起后,手工便逐渐被机器替代。
1972年,长沙马王堆辛追夫人墓出土了一批惊艳世人的文物,其中一件衣服——素纱单衣,尤其引人注目。这件衣服薄如蝉翼,似云雾般轻柔,是迄今为止发现的最早、最薄、最轻的文物服饰珍品,为西汉时期纺织技术巅峰之作。素纱单衣面料所用的丝线,便是由具有四五千年使用历史的动物源纤维——蚕丝所制而成
素纱单衣(图片来源/Wiki)
向“新”材料华丽转身
作为唯一可以量产的天然长丝纤维,蚕丝具有较好的吸湿性能,同时也极为强韧。但涤纶、氨纶、腈纶等合成纤维的大量制造,不断变化的市场需求,以及天然蚕丝抗皱性能差、易泛黄、抗静电性能差、易起毛球等缺点,使得其相关纺织品产业受到巨大冲击。不过,蚕丝并没有因此而下线,而是在穿过科学家们的“清奇脑洞”之后,焕发了第N春,成为材料界的“新网红”。
作为材料界的“流量担当”,石墨烯和碳纳米管这两种碳材料可谓是集万千宠爱于一身,学术界和工业界都对它们青睐有加。它们如此受欢迎,是不是可以带着蚕丝“一起飞”?当然可以,并且“飞起”的方式有很多种:浸渍、喷涂、旋涂、化学交联等,从而将石墨烯/碳纳米管附着于蚕丝表面。但有人觉得这种方法太复杂,便直接给蚕宝宝喂食石墨烯/碳纳米管,来提升蚕丝的性能。
碳纳米管结构
2016年,来自清华大学化学系的张莹莹副教授团队发表在国际纳米领域顶级杂志《纳米快报》(Nano Letters)的一篇题目为《以单壁碳纳米管或石墨烯喂养蚕,以获得增强的蚕丝纤维》(Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers)的文章,吸引了很多人的目光。
研究团队在蚕宝宝3龄时开始喂食喷洒了石墨烯/碳纳米管水溶液的桑叶,一直持续到蚕宝宝吐丝结茧。结果发现,如此获得的蚕丝在强度和韧性上比空白对照样品显著提高,而且这些含有石墨烯/碳纳米管的蚕丝经过高温碳化处理后,形成的碳化纤维导电率显著提高。他们还发现,喂食少量的石墨烯/碳纳米管对蚕的生长和蚕茧的形貌没有明显影响,且蚕丝和蚕的排泄物中存在碳纳米材料。
蚕丝除了可以跟石墨烯/碳纳米管“合作”,还可以跟二氧化钛、二氧化硅纳米颗粒形成复合材料;同时,其经过静电纺丝和高温碳化处理可形成具有高导电性的石墨化微晶纳米纤维膜。因此,蚕丝及其衍生材料在柔性可穿戴设备、智能织物等领域具有较大的应用潜力。
走过数千年,蚕和蚕丝依然吸引着世人的目光,保有着经汩汩流年沁润的光泽,同时也孕育着汹涌勃发的新活力,在古老与传统中,逐渐彰显现代和新兴的模样。
来源:知识就是力量公众号