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蚕丝:四千多岁的“新”资料

一说到蚕,多数人的脑海里会浮现出一条不断活动的白色小虫,然后会想到蚕丝和丝绸,进一步则会想到丝绸制成的服装,以及闻名的丝绸之路。最早开端驯化蚕的古人何尝想到,蚕这样一种小小的昆虫,后来竟成为拓荒丝绸之…

一说到蚕,多数人的脑海里会浮现出一条不断活动的白色小虫,然后会想到蚕丝和丝绸,进一步则会想到丝绸制成的服装,以及闻名的丝绸之路。最早开端驯化蚕的古人何尝想到,蚕这样一种小小的昆虫,后来竟成为拓荒丝绸之路的“大功臣”,蚕丝也成为散发着现代科学技能魅力的“新”资料。

穿越前史的长河

“蚕”,在诗篇中经常可见。汉代乐府诗《陌上桑》中的“罗敷喜蚕桑,采桑城南隅”;唐朝王维《渭川田家》中的“雉雊幼苗秀,蚕眠桑叶稀”;北宋欧阳修《归田园四时乐春夏二首》中的“麦穗初齐冲弱娇,桑叶正肥蚕食饱”……这些或朴素喧嚣或明快轻愉的诗句,无一不在轻叙着“蚕”在古代农家中的重要位置。

1972年,长沙马王堆辛追夫人墓出土了一批冷艳世人的文物,其间一件衣服——素纱单衣,特别有目共睹。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,为西汉时期纺织技能巅峰之作。素纱单衣面料所用的丝线,就是由具有四五千年运用前史的动物源纤维——蚕丝所制而成。而不论是西汉丞相夫人简练明亮清明的素纱单衣,仍是清朝皇后繁复富丽的吉服,都少不了蚕丝的参加。

长沙马王堆辛追墓出土的素纱单衣

被驯化的“吐丝神器”

蚕,蚕蛾科昆虫,是迄今仅有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,并且对寓居环境也比较挑剔。因而,它们非常依靠人工精心养殖。

制作丝织品的蚕丝取自蚕茧。蚕在预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。蚕丝由蚕的丝腺发生,待腺体里的排泄物排泄殆尽,结茧进程完毕。

结好的蚕茧

蚕丝不是直接剥离抽取后就能运用,而是首要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。古代的世界人称此工序为“缫丝”。曾经的缫丝都是纯手艺操作,而纺织工业鼓起后,手艺便逐步被机器代替。

机器正在进行缫丝工序

向“新”资料富丽回身

蚕丝的首要成分是丝胶和丝素,这两者都是由氨基酸组成的蛋白质。丝胶为球状蛋白质,易溶于水,而丝素为纤维状蛋白质,难溶于水。蚕丝单丝的中心为丝素纤维,外围是丝胶,然后两根单丝平行黏组成蚕丝。

丝素蛋白含量占蚕丝的70%~80%,由18种天然氨基酸组成。其间小侧基的甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸占比在80%以上,多坐落丝素蛋白的结晶区;而带有较大侧基的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等氨基酸则首要散布于丝素蛋白的非结晶区。

丝素蛋白所含部分品种氨基酸的分子结构式

蚕丝由家蚕5龄幼虫的不同丝腺组成。中部丝腺和后部丝腺别离组成丝胶蛋白和丝素蛋白,经过一系列的pH梯度改变及钾离子和钙离子浓度的调节后,丝蛋白向前部丝腺的压丝部移动,终究由吐丝孔牵引而出,固化为蚕丝。在上述进程中,蚕丝蛋白的结构由α-螺旋或不规则弯曲β-折叠改变,使得蚕丝取得了更好的力学功用。在蚕丝蛋白纤维化的进程中,前部丝腺发挥了重要作用。

作为仅有能够量产的天然长丝纤维,蚕丝具有较好的吸湿功用,一起也极为强韧。但涤纶、氨纶、腈纶等组成纤维的很多制作,不断改变的市场需求,以及天然蚕丝抗皱功用差、易泛黄、抗静电功用差、易起毛球等缺陷,使得其相关纺织品工业遭到巨大冲击。不过,蚕丝并没有因而而下线,而是在穿过科学家们的“清奇脑洞”之后,焕发了第N春,成为资料界的“新网红”。

作为资料界的“流量担任”,石墨烯和碳纳米管这两种碳资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,是不是能够带着蚕丝“一起飞”?当然能够,并且“飞起”的办法有很多种:浸渍、喷涂、旋涂、化学交联等,然后将石墨烯/碳纳米管附着于蚕丝外表。但有人觉得这种办法太杂乱,便直接给蚕宝宝喂养石墨烯/碳纳米管,来进步蚕丝的功用。

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宣布在世界纳米范畴尖端杂志《纳米快报》的一篇标题为《以单壁碳纳米管或石墨烯喂养蚕,以取得增强的蚕丝纤维》的文章,招引了很多人的目光。

正在进食的蚕

研讨团队在蚕宝宝3龄时开端喂养喷洒了石墨烯/碳纳米管水溶液的桑叶,一向继续到蚕宝宝吐丝结茧。成果发现,如此取得的蚕丝在强度和耐性上比空白对照样品显着进步,并且这些含有石墨烯/碳纳米管的蚕丝经过高温碳化处理后,构成的碳化纤维导电率显着进步。他们还发现,喂养少数的石墨烯/碳纳米管对蚕的成长和蚕茧的描摹没有显着影响,且蚕丝和蚕的排泄物中存在碳纳米资料。

给蚕喂养石墨烯/碳纳米管试验进程暗示

蚕丝除了能够跟石墨烯/碳纳米管“协作”,还能够跟二氧化钛、二氧化硅纳米颗粒构成复合资料;一起,其经过静电纺丝和高温碳化处理可构成具有高导电性的石墨化微晶纳米纤维膜。因而,蚕丝及其衍生资料在柔性可穿戴设备、智能织物等范畴具有较大的使用潜力。

就在8月11日,《天然-纳米技能》上刊登了中科院上海微体系与信息技能研讨所研讨员陶虎课题组联合美国纽约州立大学石溪分校和得州大学奥斯汀分校相关课题组初次完成根据蚕丝蛋白的高容量生物存储的报导。

跟着人类活动对信息依靠程度的日益进步,信息发生量和信息品种呈指数级增加,对信息存储条件的要求也越来越严苛。当时的半导体存储技能越来越难满意日益增加的信息存储需求。

科学家们在一种陈旧天然产品中找到了新创意。得益于蚕丝蛋白所具有的本身特性,结合高精度近场快速读写手法,此次研制的蚕丝蛋白存储器作为一种高容量、高可靠性的新式存储技能,具有如下优势:1)存储容量大;2)原位可屡次重复擦写;3)能在高湿度、高磁场或强辐射等恶劣环境下长时间安稳作业;4)能够一起存储二进制数字信息以及与生命活动直接相关的生物信息;5)能够植入生物体永久保存,也能够在预设的时间内可控降解。

写入数据后的蚕丝蛋白硬盘存储器 供图/中科院上海微体系与信息技能研讨所 来历/光明网

也就是说,这种新式存储器不只能够像一般半导体硬盘那样存储数字信息,还可为活性生物信息贮存供给一个功用巨大的渠道,用于收集存储生物信息,一起存储生物体DNA和血液样本等。一起,还能经过调控蛋白质的降解速度,依照预设的时序可控毁掉,然后用于信息保密。

走过数千年,蚕和蚕丝仍然招引着世人的目光,保有着经汩汩流年沁润的光泽,一起也孕育着汹涌焕发的新生机,在陈旧与传统中,逐步显示现代和新式的容貌。

蚕孕育着新生机

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