介紹蜘蛛絲的開發(fā)與進展
蜘蛛絲是多種極其特殊的氨基酸所構(gòu)成的蛋白質(zhì)纖維,具有超強的韌性與抗斷裂機能,又同時具有質(zhì)輕、抗UV與生物可分解等特點,制成纖維后可應(yīng)用在科技、國防、醫(yī)療等領(lǐng)域。其優(yōu)異的物理性質(zhì)是一般纖維、天然纖維甚至是合成纖維所無法比擬的。因而引起了世界各國科學(xué)家的興趣與關(guān)注蜘蛛絲的主要成分為蛋白質(zhì),和羊毛與蠶絲的構(gòu)造相似。蠶絲也是由各種氨基酸所構(gòu)成的蛋白質(zhì)纖維,主要的成分是丙氨酸、甘氨酸、絲氨酸和酪氨酸等四種氨基酸所組成。絲質(zhì)材料的主成分是丙氨酸。不過科學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲是由多種胺基酸組成的,這些胺基酸包括:谷氨酸鹽、絲氨酸、白氨酸、脯氨酸和酪氨酸等等,大約有17種左右。在物理性質(zhì)方面,蜘蛛絲的密度為1.34左右,和羊毛與蠶絲等蛋白質(zhì)纖維相近。除了外觀閃亮有光澤外,也具有抗紫外線與耐熱的特性,蠶絲在140℃便會產(chǎn)生黃化的現(xiàn)象,而蜘蛛絲在200℃以下時則表現(xiàn)出優(yōu)良的熱穩(wěn)定性,超過300℃時采會呈現(xiàn)黃變的情況。 由于蜘蛛絲的構(gòu)造幾乎全部都是蛋白質(zhì),故有生物分解與回收等優(yōu)點,不會對環(huán)境造成污染,且符合可持續(xù)發(fā)展的要求。在力學(xué)方面,科學(xué)家們還對蜘蛛絲的圓周絲的初始模量、應(yīng)力應(yīng)變進行了測試。蜘蛛網(wǎng)圓周絲的初始模量明顯高于Nylon6,比起高強力的芳香族聚酰胺纖維低,但圓周絲在蜘蛛絲中不是強度最好的一種。值得一提的是高強力的芳香族聚酰胺纖維的斷裂伸長只有2.5~3%,而蜘蛛絲是36~50%。因此才具有吸收龐大能量的特性。蜘蛛絲除了擁有耐熱的特性以外,同時也有極其優(yōu)異的耐低溫性能。據(jù)測試,蜘蛛絲在攝氏零下40度時仍具有彈性,只有在更低的溫度下才變硬,故有需求在低溫的場合使用時,也可使用此種纖維。
蜘蛛絲與其它纖維的機械性質(zhì)比較表
項目 強度(GPa) 延伸率(%) 剛性(GPa) 蜘蛛絲(曳引絲) 0.7-2.3 36-50 9.5-30 蜘蛛絲(膠絲) 0.1-0.5 ≦300 ≦1 蠶絲 0.6 14 6 工業(yè)用聚酯纖維 1.1 12-16 19.3 高強度尼龍 1.0 20 4 芳香族聚酰胺纖維(Kevlar) 3.2 2.5-3 127.7 碳纖維 3.0 1.8-2.2 300 Zylon(PBO) 5.5 3.5 273.8 美國喬治大學(xué)昆蟲學(xué)家羅斯女士曾說,蜘蛛絲是一種超級纖維,在高溫與低溫時非常穩(wěn)定,在一定條件下甚至還具有導(dǎo)電的性質(zhì)。某些蜘蛛牽引絲的細(xì)度甚至達到「納米」的等級,蜘蛛絲素材繩索強度則是同樣粗細(xì)鋼絲的好幾倍。也有人估算若將蜘蛛絲集中為鉛筆般的粗細(xì),可以拉住一架正在飛行的噴射式客機。
蜘蛛絲的人工生產(chǎn)方式 人們在最初使用養(yǎng)殖蜘蛛時遭遇到障礙是蜘蛛很難養(yǎng)殖,而且在群居時會互相殘殺??茖W(xué)家們思考應(yīng)該先研究取得這種類似蜘蛛絲成分的蛋白質(zhì),再進行紡絲。研究出蜘蛛絲的制備方法,長久以來都是科學(xué)家的夢想。近年來隨著生物技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)家對蜘蛛吐絲原理的深入研究,蜘蛛絲人工生產(chǎn)的方法有了突破性進展。一般說來有以下四種方式: 1.牛羊乳蜘蛛絲法 加拿大的一家Nexia生技公司已宣布研發(fā)成功,辦法是運用生物技術(shù)將蜘蛛絲的基因注入母山羊的卵細(xì)胞中,這種方式所得到的蜘蛛絲蛋白質(zhì)純度可高達70-90%,是世界上最先發(fā)展出來的「人工蜘蛛絲」。這種羊奶中含有經(jīng)基因重組的蛋白質(zhì)制程纖維后,其強度比Kevlar高3.5倍左右。 2.微生物植物吐絲法
此法是將蜘蛛絲基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌、酵母或植物上,通過細(xì)菌發(fā)酵的方法來獲得蜘蛛絲的蛋白質(zhì),由紡嘴擠出,即可得到仿蜘蛛絲的絲線。
3.利用植物來生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白質(zhì)法
此種方法是將能蜘蛛絲蛋白的基因移植給花生、煙草和谷物等植物,使植物能大量生產(chǎn)近似于蜘蛛絲成分的蛋白質(zhì)原料。 4.利用蠶吐蜘蛛絲法
此法也利用生化技術(shù)中的「電穿孔」法,將蜘蛛絲的基因注入蠶卵之中,使養(yǎng)殖出來的家蠶分泌出含有蜘蛛絲蛋白質(zhì)的蠶絲。此研究被中國列為重點的研究項目。
結(jié)論
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