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1. 1. 蜘蛛絲的分級微結(jié)構(gòu)

蜘蛛的小小吐絲口的結(jié)構(gòu)并不簡單，里面有數(shù)百根細管，蜘蛛通過細管吐絲，絲一團團首尾相連成為絲原纖維。圖1a的蜘蛛曵絲才4微米左右，卻包含了數(shù)百根絲原纖維。圖1b是圖1a的局部放大，平行虛線標出了一根絲原纖維，圓圈則是一根吐絲管吐的一團絲^[2]。更神奇的是，絲原纖維內(nèi)部還有根據(jù)跨尺度力學原理設(shè)計的精巧分級微結(jié)構(gòu)。

圖1 蜘蛛曳絲和內(nèi)部的原纖維^[2]

現(xiàn)在讓我們由蜘蛛曳絲的跨尺度路線圖^[3]（見圖2）導引，開始從宏觀向微觀尺度的旅行。
旅行出發(fā)地是圖2a的蜘蛛網(wǎng)，宏觀入口位于圖2b的一段曵絲，在電鏡下測得它的直徑僅4微米左右，比人類頭發(fā)細得多。向下走一個尺度臺階，見圖1c，出現(xiàn)了曵絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由表皮、包裹層和大量絲原纖維（參見圖1b虛線內(nèi)的部分）構(gòu)成。這是我們熟悉的多股鋼纜、繩索和導線…的結(jié)構(gòu)，大量文獻與教科書已經(jīng)闡明了這類結(jié)構(gòu)的力學性能特點和優(yōu)點。我們可能會驚嘆：微型人類工程杰作！
接下來是人類工程見不到的奇景了。再向下走一個尺度臺階，見圖1d，原纖維的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了：兩種重復的蛋白質(zhì)，并分別由氨基和羧基在兩端處結(jié)束。繼續(xù)向下走，到了納米尺度——蜘蛛絲內(nèi)部分級結(jié)構(gòu)的華彩尺度臺階（圖1e）：蛋白質(zhì)的 -折疊納米晶體（以下簡稱為折疊納米晶）由蛋白質(zhì)無定形-螺旋結(jié)構(gòu)和 -轉(zhuǎn)角多肽鏈連接（以下簡稱為蛋白質(zhì)鏈）。再下臺階到圖1f，見到折疊納米晶由弱的化學鍵氫鍵（H-鍵）連接。蛋白質(zhì)鏈也有氫鍵以保持小變形時不松開。下一節(jié)我們就在尺度臺階e觀賞蜘蛛絲無與倫比的高強度與高延伸率完美結(jié)合的跨尺度力學奧秘。

1. 2. 跨尺度力學

考慮蜘蛛絲受到的拉力從小到大。小拉力時，圖2e折疊納米晶和蛋白質(zhì)鏈內(nèi)的氫鍵沒有斷裂，變形與力成正比，彈性模量E（曲線斜率）為常量，見圖3的應(yīng)力應(yīng)變曲線的第I階段（圖3是計算模擬^【4】的分段線性簡化曲線，真實曲線在第II和III階段是曲線）。 當拉力增大到某個臨界值時，蛋白質(zhì)鏈纏結(jié)的氫鍵斷開，鏈開始被拉直，宏觀現(xiàn)象是蜘蛛絲屈服，彈性模量突降，見圖3第II階段。這個階段絲可以伸展很長，圖2e到圖2g再到圖2h說明了蜘蛛絲具有大延展性的原理：當基體中的蛋白質(zhì)鏈展開。當?shù)鞍踪|(zhì)鏈充分展開后（見圖2h），蜘蛛絲的大變形階段結(jié)束，彈性模量急劇增加，進入圖3第III階段，即硬化階段。最后折疊納米晶破壞，蜘蛛絲被拉斷。
圖3的第III階段有3條線。最上一條線對應(yīng)于蜘蛛正常吐的絲，折疊納米晶長3納米。下面兩條線分別假定了折疊納米晶長6.5和10納米。這三條線所揭示的納米尺度效應(yīng)將在下一節(jié)討論。

圖3. 蜘蛛絲在拉伸載荷下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

1. 3. 納米尺度效應(yīng)與優(yōu)化

通過影響蜘蛛的吐絲速度^【2】，能夠得到不同尺寸折疊納米晶，實驗表明隨折疊納米晶尺寸增加，蜘蛛絲強度降低。蜘蛛正常吐的絲為優(yōu)化值。
為了說明蜘蛛絲的納米力學優(yōu)化原理，有學者^[5]根據(jù)圖2e-f蛋白質(zhì)鏈對折疊納米晶體的作用力，建立了圖4的受力模型：上下端被約束，中部受蛋白質(zhì)鏈向左的橫向力。力學計算表明，圖4a長晶的破壞是彎曲主導的折斷，晶體中部左側(cè)氫鍵在彎折中被拉裂，屬于脆性斷裂，極限載荷小。圖4b短晶則屬于剪切滑動破壞，晶片在粘滑拔出過程中的阻力大大提高了承載能力。對于從3到10納米三種長度的折疊納米晶的計算結(jié)果已經(jīng)由圖3表示。
細心的讀者會發(fā)現(xiàn)，圖3第III階段短晶的曲線（最上一條）達到失效載荷后還有一個“尾巴”，表明還能在一定變形范圍內(nèi)保持承載能力。這是因為圖4b晶片拔出過程中氫鍵首次斷開后，滑移到相鄰氫鍵又會連接上的緣故。這種斷開，滑移后連接，再斷開，再滑移后連接，直至晶片完全被拔出的過程，對蜘蛛絲韌性的增加做出了重要貢獻，別看這個小“尾巴”不顯眼，其能量耗散達到了總耗散能的20%。
a

？b

圖4. 上下端被約束，中部受橫向力的納米折疊晶：a. 長晶，彎曲折斷；b. 短晶，剪切拔出。

1. 4. 啟示與應(yīng)用

蜘蛛絲具有捕捉飛行昆蟲所需的超級力學性能。以功能為目標優(yōu)化力學性能是生物材料的共同特征，還有像血管的彈性、骨的韌性、羽毛的輕質(zhì)和抗彎折、鯊魚皮的減阻、啄木鳥喙的抗沖擊^【6】等等。這些優(yōu)化力學性能都是采用普通材料，通過多尺度力學設(shè)計獲得的，它引領(lǐng)人類進入分級結(jié)構(gòu)材料與跨尺度力學的新交叉研究領(lǐng)域。
從“制造工藝”看。生物材料是自下而上，逐漸長出來的，能自組裝出復雜的獨特微結(jié)構(gòu)。而工程復合材料則是自上而下生產(chǎn)，需要模具，只能造出簡單的微結(jié)構(gòu)。所以現(xiàn)在離工業(yè)生產(chǎn)出蜘蛛絲一樣的工程材料還有相當長的路要走。

蜘蛛絲原纖維在國防、軍事（如防彈衣）、建筑等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。但是天然蜘蛛絲結(jié)網(wǎng)的產(chǎn)絲量非常低。同時蜘蛛具有同類相食的個性，無法像家蠶一樣高密度養(yǎng)殖，目前的應(yīng)用價值仍遠低于家蠶絲。

在自然界，昆蟲等身體的微量金屬元素對力學性能的提高起著重要的作用，受此啟發(fā)，德國科研人員^[7]通過向蜘蛛絲里添加鋅、鈦或鋁，能讓蜘蛛絲變得更加堅韌，強度大大增加，可達到比鋼高兩倍的程度。

無論從科學還是從工程的角度，對蜘蛛絲的研究前景都是非常廣闊的。

最后我們指出，生物能夠?qū)⒆约焊鞑糠值墓δ馨l(fā)揮到極致，并且往往有多種用途，像豆莢^[8]，既是保護籽粒的盔甲，又是傳送養(yǎng)分的通道，還是制造養(yǎng)分的工廠（含葉綠素），最后還要完成彈射傳播籽粒的任務(wù)。像鳥羽，既支撐身體飛行，又起保溫隔濕和偽裝隱蔽的作用?；剡^頭來再看圖3那款線彈性-軟化-硬化的曲線，這獨特的曲線形狀原來大有深意，它賦予蜘蛛網(wǎng)獨一無二的抗損傷和帶缺陷工作的能力，我們將在第III部分介紹。

參考文獻

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2. Du N. et al, Design of spider silk: from nanostructure to mechanical properties, Biophysical Journal, 2006, 91: 4528-4535


3. Huang X, Liu G, and Wang X, New secrets of spider silk: exceptionally high thermal conductivity and Iis abnormal uhange under stretching, Adv. Mater. 2012, 24, 1482–1486


4. Nova A, Keten S, Pugno N.M. et al, Molecular and nanostructural mechanisms of deformation, strength and toughness of spider silk fibrils, Nano Letters, 2010, 10:2626-2634


5. Keten S, Xu Z, Ihle B and Buehler M J, Nanoconfinement controls stiffness, strength and mechanical toughness of -sheet crystals in silk, Nature Materials, 2010, 9: 359-367,


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7. Lee SM, Pippel E, Gosele U, etc, Greatly increased toughness of infiltrated spider silk, Science, 2009, 324: 488-492


8. 蔣持平，劉清漪，郭乾坤，嚴鵬，豆莢彈射傳播種子中的力學I：豆莢組織的多功能優(yōu)化，力學與實踐，2012，34（2）：93-96