研究人员如何让虫丝比蜘蛛丝更坚韧

丝绸是一种绝妙的面料，但它也是一种可以做很多事情的材料。在最佳状态下，丝绸在拉扯时甚至比钢铁更耐用。如果你能获得足够的高品质丝绸，你可能会考虑制作丝绸身体传感器和丝绸防弹衣。

但问题就在这里，获取足够的蚕丝非常困难。

蜘蛛丝是我们所知的最强韧的丝。不幸的是，蜘蛛丝很难获得——除非找到一种尚不存在的替代品，否则很难获得足够的蜘蛛丝以满足大多数用途。但科学家们现在可能已经做到了这一点，他们在周四发表在《物质》杂志上的一篇论文中，通过对较弱但更常见的蚕丝进行改进，使其性能甚至比蜘蛛丝更强。

论文作者之一、天津大学生物化学家林志在新闻稿中表示：“我们希望这项研究能够为生产高利润的高性能人造丝开辟一条有希望的道路。”

家蚕（ Bombyx mori ）的蚕蛹是迄今为止我们最丰富的丝绸来源。现在的中国人类似乎在大约 6,000 年前就驯养了蚕，他们用蚕丝织成的丝绸后来成为享誉世界的奢侈品。丝绸之路因丝绸而得名，丝绸之路是几个世纪以来连接古欧亚大陆各民族和文化的贸易路线网络。丝绸甚至与最早有记载的工业间谍案有关，当时两名拜占庭僧侣据称将蚕藏在空心藤条中，沿丝绸之路向西走私。

但即使在前现代，我们就知道蚕不一定能产出最好的丝。蚕产丝是为了结茧。这通常非常适合织成纺织品，但要真正获得那些弹性特性，这还不够。（蚕产的丝也不多——一磅丝需要数百只蚕，而收集丝通常会对蚕造成致命影响。）

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很多动物都能吐丝，比如鲤鱼、贻贝、许多昆虫等等，但最结实的丝来自蜘蛛。蜘蛛可以根据不同的任务吐出几种不同类型的丝：例如，一种用于制造卵囊，另一种用于捕捉猎物。

其中最强韧的是蜘蛛丝，蜘蛛吐出的丝是它们网中最重要的部分。蜘蛛也用这种丝来悬挂身体。在最佳状态下，蜘蛛丝的抗拉强度可与高级钢相媲美：抗拉强度是指材料在被拉或被拉伸时能承受的力。

如果你想知道为什么工程师们还没有用蜘蛛丝制作桥梁电缆，那有一个大问题。蜘蛛丝的数量实在是太少了。“我们总是要努力获得更多，”弗吉尼亚州威廉玛丽学院的材料科学家 Hannes Schniepp 说，他没有参与这篇新论文的撰写，他的实验室研究有毒的棕色隐士蜘蛛的丝带状丝。

十多年前，纺织工人用上百万只蜘蛛的丝织出一块 11 英尺 x 4 英尺的布。捕获一百万只蜘蛛绝非易事，尤其是因为它们很难驯化：它们的领地意识太强，攻击性太强。

也许有办法不用动物来制造蜘蛛丝，但科学家们还没有完善其中任何一种。一些初创公司正在尝试（或者，也许是他们的纺丝器），但尽管他们大胆承诺能生产出大量蜘蛛丝，但他们的产品并不完全符合有机产品的所有令人印象深刻的特性。

科学家们尝试了许多方法来模仿蜘蛛的能力。一个非常21世纪的想法是将蜘蛛DNA植入蚕体内。最近，为了实现这一目标，来自中国多家机构的科学家联手绘制了家蚕基因组图谱。但这还未能带来有效的人造蚕丝。

这篇最新论文的作者们采用了不同的方法：像蜘蛛一样从蠕虫身上吐丝。

蚕丝通常由包裹在胶状物质中的蛋白质纤维组成。这种胶水有助于蚕丝纤维在茧中粘在一起，但它会阻碍蚕丝的纺线。所以必须去除它。研究人员将纤维浸泡在一种名为 HFIP 的酸中，有机化学家经常使用这种物质来溶解蛋白质。

这个过程将生成的纤维注入另一个浴槽中，这个浴槽中充满了锌和铁离子，这些离子与丝绸结合在一起并使其变强。在浴槽中，研究​​人员使用定制的机器纺线，将每根线拉伸至原始长度的三倍。

干燥丝线后，研究人员得到的蚕丝不仅在抗拉强度上与蜘蛛拖丝相媲美，而且比蜘蛛拖丝还要强。在测试中，他们发现他们刚刚制造的蚕丝——外观与蜘蛛拖丝完全相同——强度提高了 70%。它的强度也是蚕丝（去掉胶水后）的两倍多。

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林说：“我们的发现颠覆了之前认为蚕丝在机械性能上无法与蜘蛛丝相媲美的看法。”

据施尼普称，这一工艺并非全新。丝绸科学家一直在尝试改进蚕丝性能的方法。但他们从未能够创造出“性能优于蜘蛛丝的蚕丝——这绝对不是我所期望的，在某种程度上，这太容易了，”施尼普说。

这种方法并不能解决批量生产丝绸的所有问题。你仍然需要从蚕身上获取丝绸，而不是像一些尝试那样在实验室中培养蛋白质。此外，HFIP 并不适合大规模生产；它既昂贵又有毒。

但科学家表示，这项实验最终可能会成为研究人员追随的一条线索。