蜘蛛丝力学性能的多变性
蜘蛛丝的研究进展及应用
收稿日期:20041209作者简介:袁小红(1981),女,陕西省人。
西安工程科技学院纺织与材料学院03级研究生,专攻纺织材料与纺织品设计专业。
产品开发蜘蛛丝的研究进展及应用袁小红(西安工程科技学院,西安 710048)摘 要:介绍了蜘蛛丝的概况及研究历史,概述了蜘蛛丝的物理、化学及机械方面的性能,综述了国内外利用生物技术人工生产蜘蛛丝研究的状况及进展,同时也分析了蜘蛛丝在纺织制衣、军事、医疗、高强度材料等方面的应用。
关键词:蜘蛛丝;性能;人工生产;应用中图分类号:TS1021512 文献标识码:B 文章编号:10023348(2005)05003003 随着科学技术的发展,人们对于高强度、高韧性纤维的研究也越来越深入,无论从科学角度还是从使用角度来看,探索高强度、高韧性纤维材料的极限,检测影响材料兼具强度和韧性的因素都是很有意义的。
蜘蛛丝是一种特殊的蛋白纤维,是天然的高分子纤维和生物材料。
它具有特殊的机械(力学)性能(如很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂性能等等),以及比重小、较耐紫外线、生物可降解等优点,其优异的综合性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。
蜘蛛丝以其优良的性能引起了世界各国科学家的兴趣和关注。
近年来美国、加拿大以及欧洲一些大学和实验室运用生物学、遗传学、高分子技术等知识对蜘蛛丝进行了全面研究,利用基因和蛋白质测定技术揭开了蜘蛛丝的奥秘,在蜘蛛丝人工生产方面也取得了突破性进展。
1 蜘蛛丝的概况及研究历史蜘蛛和蚕一样,都属于节肢动物,但蚕是六条腿的昆虫幼体,而蜘蛛是八条腿的蛛形纲成虫。
蚕丝的功能是形成保护性的蚕茧来包裹着幼虫以利于它继续成长,而蜘蛛丝的功能是提供支撑作用。
因此,它比蚕丝更结实,并且可长达一英里。
蜘蛛的种类多得惊人,可能有7万多种。
对于蜘蛛的研究,报道最多的是对金黄色圆网蜘蛛、十字圆蛛和大腹圆蛛丝的研究。
人们所见的蜘蛛并非由一种蜘蛛丝组成,而是由几种分别来自体内7个不同腺体的丝组成,其氨基酸组成不同,性能不同,用途也不同。
深入探索蜘蛛丝的力学性能
深入探索蜘蛛丝的力学性能刘毅1, 2 邵正中1 F. V ollrath 21教育部聚合物分子工程重点实验室及高分子科学系，复旦大学，上海2004332 动物系, 牛津大学, 牛津 OX1 3PS, 英国关键词：仿生，动物丝蛋白，超收缩，取向在自然环境下，蜘蛛产生的主腺体丝(major ampullate silk)的综合力学性能要优于其它天然纤维和大部分合成纤维，并且主要取决于蜘蛛的纺丝过程。
众多的参量如丝蛋白原液的化学组成（与蜘蛛的食物有关）及其在腺体和纺器内的流动状况（与蜘蛛的生理状况有关）、纺丝速度、温度和湿度等均强烈地影响着丝蛋白分子链的排列和聚集态结构，进而决定了丝纤维的性能1。
超收缩现象是蜘蛛主腺体丝具有的独特性能之一：当将松驰的蜘蛛丝放入水中，它会纵向缩短2。
收缩后的蜘蛛丝表现出类似橡胶的性能3，但若重新拉伸回到原来的长度，其性能基本恢复4。
一系列分析表明5, 6，超收缩实际上是蜘蛛丝纤维内部具有取向的非晶区（第三相态）中的分子链解取向造成的；当受到再次拉伸，这些解取向的分子链重新排列，丝纤维即可恢复到超收缩前的性能。
因此，蜘蛛丝可被视作具有一定的分子记忆功能。
由于同种蜘蛛丝蛋白的氨基酸序列相同，我们认为，通常所观察到的蜘蛛（不同个体）丝在性能上的巨大差异，很可能是蛋白质分子链在纺丝过程中形成不同程度的分子链取向造成的。
为证明蜘蛛丝中的分子链取向排列对其力学性能具有决定性的作用，我们着重研究了不同的纺丝条件下，蜘蛛丝的力学性能与其超收缩能力之间的关系。
在一定的温度（25±2℃）和湿度（45±5% RH ）下，采用强迫抽丝的方法得到测试所用的蜘蛛（Nephila edulis ）单丝。
为了得到具有不同结构和性能的蜘蛛丝，我们分别选用了如下条件：1. 将丝在空气中或水中纺出7；2. 有或没有聚四氟乙烯小棒近距离导引纺丝；3. 纺丝的速度分别为2、10、20、100和200 mm/s 。
高性能纤维——蜘蛛丝
高性能纤维——蜘蛛丝专业：纺织工程姓名:赵树超学号：200920301019摘要：蜘蛛丝具有非常优异的性能特征，如其具有综合的钢性、强度和弹性及生物可降解性等，这些特点使得蜘蛛丝在许多领域具有广阔的应用前景。
本文主要分析了蜘蛛丝的结构、性能、分子结构与性能的关系、制备及应用。
关键词：蜘蛛丝；结构；性能；机理；制备；应用前言蜘蛛丝属于蛋白质纤维，是一种天然高分子纤维和生物材料。
蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、耐紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它纤维所不能比拟的，尤其具有初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织品的首选原料。
蜘蛛丝纤维由蛋白质组成，是一种可生物降解且无污染的纤维。
其特殊的结构和性能，在纺织行业、医疗卫生和军事领域等方面产生了极其重要的影响。
蜘蛛丝滑爽柔软，光汗优雅。
但是数量少。
目前国内外许多科学家已通过基因工程，将蜘蛛的基因移植到蚕体及其它植物和动物等体内，从而使蜘蛛丝蛋白质纤维实现工业化生产的梦想成为现实。
相信，随着科学技术的发展，蜘蛛丝纤维将广泛用于纺织服装业等多个领域，成为新一代高性能生物材料。
1蜘蛛丝的结构和组成1.1 蜘蛛丝纤维的组成蜘蛛丝的主要成份是蛋白质，基本组成单元为氨基酸。
蜘蛛丝含l7种左右氨基酸，各种氨基酸的含量因蜘蛛的种类不同而存有一定的差异。
蜘蛛丝中较大的7种氨基酸含量占其总量的90％，它们分别为甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸、丝氨酸、亮氨酸和精氨酸。
1.2 蜘蛛丝纤维的微观结构蜘蛛丝由前纺器纺区、中纺器纺区、后纺器纺区三组喷嘴喷射形成，分子结构是由原纤丝组成，而原纤丝又由120nm微原纤组成，微原纤是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子化合物。
蜘蛛丝横截面接近圆形，直径为6.9μm，是单丝，由两组丝腺组成，中间没有丝胶，没有覆盖于表面的水溶性物质。
蜘蛛丝的纵向形态是丝中央有一道凹缝痕迹，在水中有大的溶胀性，截面会发生膨胀，径向则会发生明显的收缩。
蜘蛛丝的研究进展
ｂ ｒ ｉ ｅ ｆ ｌ ｙ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ｅ ｌ ｌ ｅ ｎ ｔ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｔｉ ｒ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｓ ｐ ｉ ｄ ｅ ｒ ｓ ｉ ｌ ｋ ａ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｐ ｒ ｅ ｐ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ， ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｓ ｐ ｉ ｄ ｅ ｒ ｓ ｉ ｌ ｋ ．
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｓ ａ ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｐ ｏｌ ｙ ｍｅ ｒ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ，Ｓ ｐ ｉ ｄ ｅ ｒ ｓ ｉ ｌ ｋ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｕ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｔ ｏ ｕ ｇ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓ ｌ ｆ ｐ ｒ ｏ ｍｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ａ Ｔｈ ｉ ｓ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ
【 摘 要】 蜘蛛 丝 作为 一种 天然 高分 子材 料 ，能 完美 的将 商强 度和 高韧 性和 为一 体 ，是 一 个极 具 价值 的研 究领域 。本文 主要介 绍 了蜘蛛 丝 的优
异 性能 、结 构 、人造 蛛 丝的研 制 和加 工成 型 以及用 途等 。 ［ 关键 词】 蜘蛛 丝 ；高 强高韧 ：天然 高分 子 【 中 图分类 号］ Ｔ Ｑ ［ 文献 标识 码】 Ａ
含量将 对蛛 丝 二级 结构 产生 重要 影响 。其 中丙 氨酸 是蜘 蛛丝 结 晶 区的主 要 成分 而 以甘氨 酸为 主要 成 份的 区域 则倾 向形 成无 定形 结 构＿ ３ ＿ 】 ：采用 原子 力显 微镜 以及 行 亍 射技 术 ，在纳米 尺度 范 围观察 到 蛛丝的： ： 级 结构 包括 ６ ， 折 叠 纳米 晶体 、无 定形 Ⅱ一螺 旋结 构 、１ ３ 转 角 多肤链 。其 中 ，Ｂ ． 折叠 纳 米晶体 的尺 寸大 约为 ２ ～ ４ ｎ ｍ， 由于 折 叠 层之 间存 在氧 键连 接 ，表现 出 高强度 的 力学性 能 。其 呈现 的 黏 滑现 象也 是 宏观层 面 上蛛丝 的 高韧性 高强 度 的 素之一 ：在 １ ０ ｎ ｍ ｔ ｏ ２ Ｏ ｎ ｍ 的观 察区域 内，蛛丝 的三 级结 构 是 由 Ｂ 一 折叠 纳米 品 体 、（ Ｉ 一螺 旋结 构 、Ｂ 转 角多肽 链 在二维 空 间上 的组合 。 三种 结 构 的相 吒作 用是蛛 丝 呈现 高强度 和 高弹性 的关 键 因索 ： 往１ ０ ０ ｒ ｉ ｍ 的 观察 尺度 内 ，采用 扫描 电镜 可 以看 到蛛 丝 的四 级结 构一 原纤 结构 。 原纤 的尺 寸为 ５ ０ ～ ８ ０ ｎ ｍ：在 更加宏 观 的尺度 范 围观察 ， 一 根直 径 约为 １ ～ ２ ａ ｍ 的蜘 蛛丝 则 由表 皮 、包 裹层 和 数百 条丝 原纤维 组成 。 蜘 蛛 丝 的这 种 多级 微观 结构 的相 互 组合 ，使 蛛丝 呈现 出宏 观 力学 性 质 的均 匀性 和极低 的 缺陷 率 ，确保 了 力学性 能的 最优 化【 。
纺织新材料蜘蛛丝
摘要： 经过多年努力， 蜘蛛丝的开发应用及人工生产已经取得了突 破性 进展。 文章分析 了天然蜘蛛丝的结构与物理、 化学性能 介绍了 利用转 基因 技术生产人造蜘蛛丝的方法及其现状， 并对蜘蛛丝的应用领域及前
景作了 展望。
纤维性能；转基因技术 关键词：蜘蛛丝；纤维结构
获 得“ 生 物 钢 ” 蛋 白 ０ ］ ＃ １
３ ． ５ 目 前人造蜘蛛丝存在的问题 第一代的Ｂ ｉ ｏ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ 直径比天然蜘蛛丝大 １一２ 个数 量级，另一方面，天然蜘蛛丝具有皮芯层结构，目前看 来很难模仿。 Ｂ ｉ ｏ Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ 生产与蜘蛛纺丝过程最大的差别还
在干后者是液晶纺丝，在蜘蛛的丝腺中，可区分出长度
随拉伸形变无法实现的特性。蜘蛛丝结构模型可以这样 描述 ：由柔韧的蛋白质分 子 链组成的非晶区，通过一定
术难题［ ３ ， ，此研究被列为国家 “ ８ ６ ３ ”计划重点项目，目
前正在进行当中。
硬度的棒状微粒晶体所增强，这些晶体由具疏水性的聚 丙氨酸排列成氢键连接的Ｒ 一 折叠片层， 折叠片层中分子 相互平行排列。另一方面，甘氨酸富集的聚肤链组成了 蜘蛛丝蛋白无定形区，无定形区内的聚肤链间通过氢键 交联，组成了似橡胶分子的网状结构１ ３ １
因放入奶牛的胎盘内进行特殊培育 ， 等到奶牛长大后， 所
２ 蜘蛛丝的性能
２ ． １ 物理性能 蜘蛛丝是目前世界上最为坚韧且具有弹性的纤维之 一， 尤其是它的牵引丝在力学性能上具有蚕丝和一般的 合成纤维所无法比拟的突出优势。蜘蛛丝物理密度为 １ ． ３ ４ ｇ ／ ｃ ｍ ＇ ，与蚕丝和羊毛相近。蜘蛛丝光滑闪亮、耐 紫外线性能强，而且较耐高温和低温。热分析表明，蜘 蛛丝在 ２ ０ ０℃以下表现热稳定性良好，３ ０ ０℃以上才黄 变， 零下４ ０℃时仍有弹性 ， 只有在更低的温度下才变硬。 在强度方面， 它与Ｋ ｅ ｖ ｌ ａ ｒ 纤维相似， 但是其断裂功却是 Ｋ ｅ ｖ ｌ ａ ｒ 的１ ． ５ 倍，初始模量比尼龙大得多，达到Ｋ ｅ ｖ ｌ ａ ｒ 纤维的高强高模水平。蜘蛛丝的断裂伸长率达 ３ ６％ 一
影响蜘蛛丝性能的因素及开发技术
７ 种丝 。由于新蛛亚 目蜘蛛 的牵引丝强度约为 ４ ¨ × １。 ／ 断裂功约为 １ ／ ｇ 比蚕丝等纤维高 出近 ０Ｎ ｍ ， ０ Ｊｋ ，
１ 数 量 级［］ 因此 受 到广 泛 的关 注 。但 在 一 张 新 蛛 个 ，
亚 目蜘 蛛 网中通 常 含 有 多种 蛛 丝 ， 的甚 至 含 有 ７种 有
１ １２ 蜘蛛 的种 类 ．．
蜘蛛 是 一 类 多 样 群 体 ， １０多 纲 ３ ０ 有 ０ ７０ ０多 目 。不 同种类 的蜘蛛分泌 的具有 相 同作用 的蛛丝 ］
在 性质 上 也 有 很 大 差 别 【 １ 引。根 据 Ｂａｋｅｇ ［］ 文 ｌｃｌｄ ｅ１ 等 献 提供 的方法 ， 不 同种 类 的 牵 引 丝 进行 拉 伸 测 试 发 对
在相同种类的蜘蛛中， 体积的不 同， 蛛蛛丝 的性能
也 存在 明显差 异 ， 其是 对 牵 引 丝 的影 响很 大 。 由于 尤 牵引丝 被称 为“ 蛛 的生 命 线 ” 所 以蜘 蛛 在 爬 行 过 程 蜘 ，
中所产 生 的纤 维首 先必 须 确保 蜘 蛛 自身 的安 全 。Ｏｓ — ａ
ｋ 等在研究中发现 ， ｉ ［ 人工卷取 的蜘蛛牵引丝 的力学
１ 影响蜘蛛丝性能的因素
１ １ 宏观 因素 ．
的细度也相应较大 ， 卷取 的牵引丝强力约为蜘蛛 自身
重量的 ３ 。相同条件下 ， 倍 个体越大 的蜘蛛 ， 其牵引丝
的力学 性 能也越 好 。 １１４ 蜘蛛 的生存 方 式 ．．
１ １１ 蜘 蛛 丝 的种 类 ．．
根据吐丝的多少 ， 蜘蛛可以分为古蛛亚 目、 原蛛亚 目和新蛛亚 目 ３ 个种类 。古蛛亚 目蜘蛛只能吐出一种
能是同样粗度的钢铁纤维的 ５ Ｏ倍 ， ～１ 是炭素纤维的 ３ ５ ［。蜘蛛丝以其重量最轻 、 ．倍 ３ ］ 弹性和抗拉性能最强
1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝要点
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
蜘蛛丝的坚韧探索蜘蛛丝的强度与韧性
蜘蛛丝的坚韧探索蜘蛛丝的强度与韧性蜘蛛丝的坚韧探索蜘蛛丝的强度与韧性蜘蛛丝是一种异常坚韧的物质，拥有令人惊叹的强度和韧性。
在科学界，对于蜘蛛丝的研究一直是一个备受关注的课题。
本文将深入探索蜘蛛丝的坚韧特性，探讨其强度与韧性的来源。
一、蜘蛛丝的物理结构和成分蜘蛛丝是由蜘蛛的腺体分泌而成，经过旋转和拉伸形成纤维状的物质。
蜘蛛丝的物理结构非常精细，由蛋白质组成。
不同种类的蜘蛛丝具有不同的成分和结构，导致了它们的强度和韧性差异。
二、蜘蛛丝的强度来源蜘蛛丝的强度来自于其独特的分子结构和晶体排列。
蜘蛛丝的分子链具有高度排列的有序结构，这使得蜘蛛丝具有较高的拉伸强度。
此外，一些研究还发现，蜘蛛丝中存在纳米级别的晶体，在力学性能方面起到了关键作用。
三、蜘蛛丝的韧性来源蜘蛛丝的韧性是指其在承受外力时能够保持相对稳定的形态而不断伸缩。
蜘蛛丝之所以具有出色的韧性，与其特殊的结构和分子间相互作用有关。
蜘蛛丝中的蛋白质分子链呈螺旋状排列，这导致了蜘蛛丝的柔软性和可伸展性，使其能够承受较大的变形。
四、蜘蛛丝的应用价值蜘蛛丝的独特特性使其具有广泛的应用前景。
科学家们研究蜘蛛丝的目的之一是为了开发高强度和高韧性的材料。
目前，已经有一些尝试利用蜘蛛丝制造纺织品、建筑材料和医疗器械等。
蜘蛛丝纤维的研发有望在材料科学领域带来革命性的突破。
五、蜘蛛丝研究的挑战尽管蜘蛛丝具有卓越的特性，但其研究仍然面临着一些挑战。
首先，蜘蛛丝的采集和提取相对复杂，成本较高。
其次，蜘蛛丝的分子结构和制备过程仍然不完全清楚，需要进一步深入研究。
此外，蜘蛛丝的应用还面临着规模化生产和市场推广的问题。
六、未来展望未来，随着对蜘蛛丝研究水平的提高和技术的发展，我们有望更好地理解蜘蛛丝的特性，并将其应用于更广泛的领域。
通过深入了解蜘蛛丝的制备和力学性能，我们或许能够开发出更加先进的材料，以满足人类对高性能材料的需求。
总结：蜘蛛丝的强度与韧性源于其独特的分子结构和晶体排列。
[指导]魏笑：蜘蛛丝的特性及其应用前景
![[指导]魏笑：蜘蛛丝的特性及其应用前景](https://img.taocdn.com/s3/m/68461f3fa4e9856a561252d380eb6294dd8822c0.png)
蜘蛛丝的特性及其应用前景魏笑摘要：蜘蛛丝是极坚韧的蛋白质纤维，兼有极好的强度和弹性，尤其是蜘蛛大囊状腺产生的拖丝，具有独特的机械性能，是自然界颇具应用潜力的生物材料。
可是，迄今还不能像利用蚕丝那样大规模的、充分的利用它。
随着基因工程技术迅猛的发展，这一愿望的实现已被排到日程上了。
预计在不久的将来，仿生方法将大规模生产这种令人神往的纤维状材料，满足各种用途。
本文就蜘蛛丝的物理特性及其应用前景在此做一介绍。
关键词：蜘蛛丝力学特征丝蛋白质蛛丝应用1、蜘蛛丝的特性1.1、蜘蛛丝的比重和强力它的强力1.1GPa接近于典型高强力工程钢的1.3GPa，但蜘蛛丝的密度1.3比钢7.8低得多，在相同重量下蜘蛛丝是强度最大的材料。
1.2、蜘蛛丝的刚性蜘蛛丝刚性较大，要使其断裂需要更多的力，其弹性较小。
蜘蛛个体差别，如纺丝速度和体温也会影响丝的直径，从而影响丝的断裂强力。
1.3、蜘蛛丝的应力应变性质力学特性实验表明，蜘蛛丝中的拖丝是目前已知的具有高硬度、高强度、高韧度的生物材料之一。
而蜘蛛丝中的鞭毛丝具有与拖丝不同的特性，鞭毛丝是一种高弹性的类橡胶材料，高弹性、高强度使鞭毛丝具有和拖丝相近的韧度。
根据聚合物材料应力应变曲线分类的原理，拖丝是一种硬而强的材料，而鞭毛丝则是一种软而韧的材料。
1．4、蜘蛛丝的粘弹性当昆虫撞击蜘蛛网时，会在丝拉索上形成直角的冲击负荷，由于拖丝和鞭毛丝均具有高韧度，两者的平衡阻滞约为65％，即昆虫飞行时所具有的动能约有65％被吸收转化成热量，因而不致于使昆虫通过反弹作用被弹出蜘蛛网 J。
由于蜘蛛丝具有高韧性、高水平的内部分子摩擦和高平衡阻滞等特点，被认为是一种粘弹性的生物材料，其力学特性具有应变率依赖性。
1．5、蜘蛛丝的超浓缩特性拖丝对水敏感，当浸入水中时会收缩为原来的40％一50％，力学特性也发生显著变化，起始硬度下降3个数量级，在性状上变成与类橡胶材料一致。
鞭毛丝在水中也会发生收缩，但水对其力学特性的影响不是非常显著，蜘蛛丝的这种收缩现象被称为超浓缩。
1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝讲解
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
天然纳米纤维的典范一一蜘蛛丝内容理解
天然纳米纤维的典范一一蜘蛛丝内容理解蜘蛛丝是一种天然纳米纤维，其特点是轻盈、柔软、强韧、透气、防水、防紫外线等。
蜘蛛丝由蜘蛛的腺体分泌出来，经过一系列生化反应形成纤维。
蜘蛛丝的组成成份是蛋白质，两条多肽链中间夹杂有一些小分子，这些小分子充满了蜘蛛丝的空隙。
这些空隙对蜘蛛丝的物理性质起到了关键性的作用。
蜘蛛丝的强韧性是其最显著的特征之一。
研究发现，蜘蛛丝的拉伸强度比钢铁的拉伸强度高六倍，而且蜘蛛丝最多能拉到原长的四倍。
这是因为蜘蛛丝的分子结构非常精细，组成了一种多级分层的结构。
在这种结构中，只有极小的局部区域才承受拉力，其他区域都以柔性粘合，形成了类似于钢筋混凝土的结构。
因此，蜘蛛丝可以承受巨大的张力。
蜘蛛丝的柔软性也非常出色。
蜘蛛丝可以在各种曲面上自由滑动、弯曲，不易断裂。
这一点与人造纤维不同。
人造纤维的弯曲范围狭窄，容易在切割时断裂。
而蜘蛛丝在天然环境中的柔韧性可以使它适应各种动态环境。
蜘蛛丝的透气性很高。
它的空隙允许水和空气自由流经丝线。
它还可以防水，因为蜘蛛丝的小分子可以吸附水分，形成一个保护膜，不会让水分进入到纤维中。
另外，蜘蛛丝可以防紫外线，这是因为它有粘结分子（DOPA），可以吸附有害的紫外线。
由于它的各种特性，蜘蛛丝被广泛应用于医疗、军事、航空航天等领域。
在医疗领域，蜘蛛丝可以被用作缝合线，因为它无毒、不会被人体排斥、且具有出色的韧性和柔性。
在军事领域，它可以用来制造防弹衣或其他护具，因为它能抵御子弹或炸弹碎片的高速穿透。
在航空航天领域，蜘蛛丝可以被用作航天器的材料，因为它的轻盈、强韧、柔性、透气性等特性都非常符合要求。
总而言之，蜘蛛丝作为天然纳米纤维的典范，具有非常多的优良特性，这些特性使得蜘蛛丝具有广泛的用途和应用价值。
同时，我们也可以从蜘蛛丝的结构和组成中得到很多启示，在设计和改良人造材料方面提供有益的借鉴。
蜘蛛丝结构特性分析与仿制技术
蜘蛛丝结构特性分析与仿制技术蜘蛛丝是一种非常特殊的生物纤维，具有卓越的机械性能和高度可调节性，成为材料科学领域的研究热点。
为了更好地了解蜘蛛丝的结构特性并探索仿制技术，科学家们进行了大量的研究。
蜘蛛丝的结构特性是其卓越性能的基石。
一般而言，蜘蛛丝由蛋白质组成，其主要结构是蛋白质链以螺旋形式排列而成。
不同种类的蜘蛛丝具有不同的结构，如蜘蛛丝中的β-折叠、β-带和无序结构的相对比例会影响丝的性能。
例如，带有更多β-折叠结构的蜘蛛丝通常具有更大的强度和韧性。
蜘蛛丝的力学性能也非常出色。
研究表明，蜘蛛丝的强度可以媲美钢材，而具有较高的韧性。
这得益于蜘蛛丝的结构特性以及其制造过程中的拉伸和旋转。
除了强度和韧性，蜘蛛丝还具有良好的柔韧性和蠕变性能。
这些特性使蜘蛛丝成为仿制高性能材料的理想候选。
为了仿制蜘蛛丝的特性，科学家们开展了各种仿制技术的研究。
其中，基于生物合成的仿制技术是一种常见的方法。
通过基因工程和发酵技术，科学家们可以合成出蜘蛛丝蛋白，然后通过纺丝过程制备仿制丝。
这种方法可以控制丝的组成和结构，但由于合成过程的复杂性，还需要进一步改进和优化。
另一种仿制蜘蛛丝的方法是利用人工合成纤维材料。
这些材料通常具有类似于蜘蛛丝的结构和性能，例如碳纳米管纤维和高分子纤维。
这些纤维材料可以通过纺丝、拉伸和交联等工艺制备，使其具有类似于蜘蛛丝的强度和韧性。
然而，与天然的蜘蛛丝相比，这些仿制材料仍然存在一些差距，需要进一步改进和提升。
除了仿制蜘蛛丝的结构和力学性能，科学家们还在探索蜘蛛丝的功能应用。
例如，仿制的蜘蛛丝可以用于制备高性能纺织品、增强复合材料和生物医学材料等。
此外，蜘蛛丝还具有很高的生物相容性，可以用于生物传感器、药物传递和组织工程等领域。
蜘蛛丝的仿制技术和应用潜力还有待进一步的研究和开发。
总之，蜘蛛丝的结构特性和仿制技术是一个备受关注的领域。
研究人员通过分析蜘蛛丝的结构和力学性能，以及开发仿制技术，致力于制备具有类似性能的仿制材料。
蜘蛛丝的力学性能与生物材料开发
蜘蛛丝的力学性能与生物材料开发关键信息项：1、蜘蛛丝的力学性能指标2、生物材料开发的目标与应用领域3、合作方式与责任划分4、知识产权归属5、研发阶段与时间节点6、质量标准与检测方法7、风险评估与应对策略8、利益分配机制1、引言11 本协议旨在规范关于蜘蛛丝的力学性能研究以及基于此的生物材料开发相关事宜。
2、蜘蛛丝的力学性能21 详细阐述蜘蛛丝的拉伸强度、弹性模量、韧性等力学性能指标。
22 分析不同种类蜘蛛丝力学性能的差异及其影响因素。
23 描述用于测定蜘蛛丝力学性能的实验方法和设备。
3、生物材料开发31 明确生物材料开发的目标，如用于医疗、纺织或工业等领域。
311 针对特定应用领域，确定所需的材料性能和功能要求。
312 制定开发计划，包括实验设计、样品制备和性能测试等环节。
4、合作方式41 说明各方在研究和开发过程中的职责和分工。
411 例如，一方负责提供技术支持，另一方负责资金投入等。
412 确定合作的形式，是长期合作还是项目制合作。
5、知识产权归属51 明确在研究和开发过程中产生的知识产权的归属问题。
511 规定专利申请和保护的责任方。
512 对于共同拥有的知识产权，约定使用和许可的规则。
6、研发阶段与时间节点61 划分研发的不同阶段，如基础研究、小试、中试和产业化等。
611 为每个阶段设定明确的时间节点和交付成果。
612 建立阶段评估机制，以确保项目按计划推进。
7、质量标准与检测方法71 制定开发的生物材料的质量标准，包括物理、化学和生物学性能等方面。
711 确定相应的检测方法和检测机构。
712 规定质量不合格的处理方式和责任承担。
8、风险评估与应对策略81 分析在研究和开发过程中可能面临的技术风险、市场风险和政策风险等。
811 针对每种风险制定相应的应对策略和预案。
812 建立风险监控机制，及时调整应对措施。
9、利益分配机制91 确定根据各方在合作中的贡献和成果进行利益分配的原则和方式。
蜘蛛丝力学性能的多变性
蜘蛛丝力学性能的多变性
刘敏;李春萍;潘志娟;唐莹
【期刊名称】《材料科学与工程学报》
【年(卷),期】2003(021)002
【摘要】为进一步探索蜘蛛丝的成丝机理,研究了不同个体大小,不同生存方式,不同环境湿度的大腹圆蛛牵引丝的拉伸性能.结果表明,蜘蛛对其丝纤维的结构和性能具有自我调控能力,随着环境,自身条件,生存方式等成丝条件的变化,蜘蛛牵引丝的力学性能也会发生相应的变化.
【总页数】3页(P228-230)
【作者】刘敏;李春萍;潘志娟;唐莹
【作者单位】苏州大学材料工程学院,江苏,苏州,215021;苏州大学材料工程学院,江苏,苏州,215021;苏州大学材料工程学院,江苏,苏州,215021;苏州大学材料工程学院,江苏,苏州,215021
【正文语种】中文
【中图分类】TS102.3+3
【相关文献】
1.蜘蛛丝Ⅰ:超级力学性能 [J], 蒋持平
2.成丝的速度与方式和蜘蛛丝力学性能的关系 [J], 刘敏;潘志娟;李春萍
3.自控能力及成丝条件与蜘蛛丝力学性能的关系 [J], 刘敏;潘志娟;李春萍
4.蚕丝和蜘蛛丝多级结构对力学性能的影响 [J], 张鸿昊;林乃波;刘向阳
5.蜘蛛丝/聚-L-乳酸静电纺纤维束的形貌和力学性能 [J], 赵静娜;刘洋;潘志娟
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蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究
蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究3黄智华 李 敏33(福建师范大学生物工程学院 福州 350007)摘要 蜘蛛丝尤其是蜘蛛大囊状腺产生的拖丝,具有独特的机械性能,是自然界颇具应用潜力的生物材料。
现代分子生物学技术使蜘蛛丝蛋白基因得以克隆,通过高分子物理化学手段方法的利用,有利于揭示蜘蛛丝蛋白质序列、分子结构、以及分子结构和力学性能之间的关系。
对不同种类蜘蛛丝蛋白的深入研究,将为基因工程方法人工合成并改造蜘蛛丝成为可能。
关键词 蜘蛛丝 力学性能 人工合成蛛丝收稿日期:20032012293福建省自然科学基金重大科技项目资助(2001F006)33通讯作者,电子信箱:m li @ 结网蜘蛛有7种不同的腺体,每种腺体能产生独特功能特性的蜘蛛丝,其中拖丝的性能可与最好的现代技术合成纤维相媲美,是外科手术缝合线、降落伞、防弹衣及组织工程所需的临时搭架的理想材料,受到各国研究者的广泛关注。
近20年来,对蜘蛛丝的研究主要集中于大囊状腺产生的拖丝和鞭毛状腺产生的鞭毛丝。
科学家对蜘蛛丝的化学组成、分子结构、聚集态结构和蛛丝蛋白基因均作了大量研究,以期根据蜘蛛丝聚合物的结构信息通过基因工程的方法人工合成蜘蛛丝,商业化生产蛛丝蛋白[1,2]。
从目前的研究看,对蜘蛛丝的氨基酸组成和基本力学性能已有了较系统的研究,但它的特殊力学性能的形成机理和丝纤维的微细结构以及微细结构和力学性能间的关系尚未被完全揭示。
揭开蜘蛛丝结构和性能的关系对于生物纺丝技术的发展和新型生物材料的开发有着重要的作用[3]。
本文就不同蜘蛛丝的力学性能特征、分子结构及其两者之间的关系作一综述。
1 蜘蛛丝的力学特征111 蜘蛛丝的应力2应变性质丝纤维的力学性能可以用应力2应变曲线来表征。
应力2应变曲线反映了丝纤维在轴线上的变形,是最重要的力学特征[4]。
力学特性实验表明,十字圆蛛(Araneus diadematus )拖丝的起始硬度低于K evlar 、碳纤维、高弹性钢等工程材料,但其硬度比其它的聚合生物材料都高。
神奇的蜘蛛丝
蜘蛛丝的显微电镜图
2013-5-21
二、天然蜘蛛丝的特性及其应用
• 3.天然蜘蛛丝有较大的采水性 • 蜘蛛丝具有像糖葫芦串一样的 结构，水珠在纺锤形的结构上从细的位 置向粗的位置运动；纺锤结上还具有纳米丝排列。此原理类似荷叶和 水稻的微纳米结构，一是有序排列，一是无序的。同样的物质通过无 序排列，会形成表面能差。水滴沿着蜘蛛丝线的方向具有周期的表面 能分布和空间构型，亍是水滴可以再蜘蛛丝上稳定存在。蜘蛛丝可挂 住的最大水柱是蜘蛛体积的5000倍
2013-5-21
一、蜘蛛丝的结构及其性能
• 从电子显微镜下观察蜘蛛丝， 可发现，蜘蛛丝有点类似悬吊 桥樑的大钢索，中间有一根主 要的钢索，而周围又以其他较 小的钢索缠绕着
外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所 以具有极好的弹性和强度，其原 因在亍： 1.丌觃则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性； 2.觃则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。
• 1.天然蜘蛛丝显示出特别的扭转形状记忆效应
• 当蜘蛛丝被扭转到其它准平衡位置时，由亍高阻尼效应， 它几乎丌振荡，并且丌需要任何额外的刺激就能以挃数方 式完全恢复到其初始状态，从而有效防止悬挂在空中的蜘 蛛转动摇摆
2013-5-21
二、天然蜘蛛丝的特性及其应用
• 2.蜘蛛丝吸收振动的能力 十分惊人
神奇的蜘蛛丝
一、蜘蛛丝的结构及其性能
• 天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其 丝腺体分泌的一种天然蛋 白生物材料，属亍一种生 物弹性体纤维，它是自然 界产生最好的结构和功能 材料之一。 • 科学家发现，蜘蛛丝是由 几种氨基酸组成的，这些 氨基酸包括：谷氨酸盐、 丝氨酸、白氨酸、脯氨酸 和酪氨酸等。
化学产品设计--蜘蛛丝的合成
在医学医疗方面
蜘蛛丝的优越性还在于它是蛋白质纤维，与人体具 有“兼容性”。通过转基因技术得到具有蜘蛛丝特点的“生 物钢”制成人工关节、韧带、人类使用的假肢、人造肌腱 等产品，具有韧性好、可降解等特性。蜘蛛丝在医学和医 疗方面有广泛用途。
在建筑方面
蜘蛛丝的强度高，韧性大和一定的热稳定性， 在极高温度下才会分解，因此蜘蛛丝可用于结构材 料、复合材料等高强度材料。在建筑方面，蜘蛛丝 可用做结构材料和复合材料，代替混凝土中的钢筋， 应用于桥梁、高层建筑和民用建筑等，可大大减轻 建筑物自身的重量，还可以抗震。
最终方案
经比较最终选定方案A+E：即将蜘蛛丝基 因转移到能在大培养容器里生长的细菌上,通 过细菌发酵的方法来获得蜘蛛丝蛋白质,再把 这种蛋白质从微孔中挤出,就可得到极细的丝 线。再利用静电仿丝技术对蜘蛛丝性能进行改 善使其更加满足工业生产需求。
其半晶体结构可以发展生物半导体技术，其稳定的 室间构象和在一定条件下可逆的自装配行为可作为生物 计算机的优良材料。
研究现状及问题
• 然而蜘蛛种类繁多，不同种类的蜘蛛丝的组成差异 很大，而同一种蜘蛛不同丝腺中的液状丝的氨基酸 组成也有很大差异。而我们对蜘蛛产生的各种丝的 组成和结构仅有有限的信息和数据。
蜘蛛丝的结构性能与研究现状
酸等 ! 并且不能被大部分蛋白酶分解 ! 在加热时 ! 能微 溶于乙醇中 " 蜘蛛丝最吸引人的地 方 是 具 有 优 异 的 力 学 性 能 ! 即高强度 # 高弹性 # 高柔韧性 # 高断裂能 " 由表 # 可知 ! 大腹圆蜘蛛的牵引丝 # 框丝和外层包卵丝的断裂强度 均比蚕丝丝素的大 ! 断裂伸长率是丝素的 #.$ 倍 ! 断裂 比功也比丝素大得多 " 蜘蛛丝的断裂强度虽然不及钢 丝和用于制造防弹衣的 +/012- ! 但是其断裂伸长率是钢 丝的 $.!& 倍 ! 是 +1/012- 的 !&.*& 倍 ! 特别是断裂功比 钢丝和 +/012- 大得多 "
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四川丝绸
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蜘蛛丝的结构性能与研究现状
刘庆生 西安工程科技学院 段亚峰 绍兴文理学院
摘要 $结合蜘蛛丝研究的历史与研究现状 ! 阐述了中国大腹圆蜘蛛牵引丝 % 框丝及包卵丝等 天然蜘蛛丝的聚集态结构和形态结构 ! 对比分析了蜘蛛丝的物理 % 力学及机械性能 ! 介绍了利用 基因工程技术人工生产蜘蛛丝的主要方法和途径 # 关键词 $ 蜘蛛丝 结构 性能 基因工程
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1.高强高模天然纤维——蜘蛛丝
——蜘蛛丝作者：凌正摘要：蜘蛛丝是一种天然动物蛋白纤维,含有(GPGXX)n/(GPGQQ)n、An/(GA)n、(GGX)n等多种重复多肽序列,具有多样的分子结构、机械性能与生物生态学功能,同时还具有强度高、弹性好、初始模量大、断裂能大、可生物降解、生物相容性好、保湿性好、轻盈等其它合成高性能纤维所无法比拟的优良机械性能及特性。
为此,本研究对蜘蛛丝的组成、结构、机械性能、纺丝机理、应用前景进行了概述，并且通过对蜘蛛丝的氨基酸组成及其丝纤维的表面形态结构和蜘蛛丝的分子构象与聚集态结构的分析研究，探索蜘蛛丝的组成与结构对其性能的影响，对于开发新型纤维材料具有重要启迪意义。
关键词：高强、高模、天然纤维、蜘蛛丝、结构、机械性能、应用前景。
正文：前言蜘蛛因具有许多天然纤维甚至高性能合成纤维无法比拟的优异力学性能，而成了国内外许多研究机构和学者关注的焦点，近年来，国外的学者在研究蜘蛛丝结构和性能的同时，借助于日益发展的生物技术，采用基因移植的方法研制了人工合成蜘蛛丝蛋白，并采用化学纤维纺丝的方法将其制成类蜘蛛丝，但由于性能上的缺陷、加工过程复杂、成本高等因素，仿蜘蛛丝尚未实现工业化生产。
从材料科学的角度来看，纤维的性能取决于其大分子链结构和聚集态结构，探明纤维性能形成机理的根本在于：掌握其结构和性能间的本构关系。
因此，要使蜘蛛丝的力学性能在人造生体高分子纤维上得到表达，研究其性能的结构机理和形成这种结构的方法原理是至关要的。
本文以广泛分布于我国各地的大腹圆蛛为研究对象，在研究分析其三种主要的丝纤维——牵引丝、蛛网框丝、包卵丝的力学性能、色泽、密度与吸湿性以及热学性能的基础上，从以下几方面探索了蜘蛛丝优异力学性能的形成机理。
研究了蜘蛛丝力学性能的分子基础分析大腹圆蛛丝纤维的氨基酸组成特征，并通过与其他种类蜘蛛丝及蚕丝丝素纤维的比较，研究蜘蛛丝的氨基酸组成对其分子结构和分子排列的影响。
采用激光拉曼光谱和红外光谱技术，分析了不同功能蜘蛛丝的分子构象，探索了蜘蛛丝的氨基酸组成及分子结构和其力学性能间的关系。
蜘蛛丝启发的超强弹性体！迄今为止最强、最坚韧的可修复弹性体
蜘蛛丝启发的超强弹性体！迄今为止最强、最坚韧的可修复弹性体橡胶在我们生活中随处可见，开发具有非凡机械性能的可修复和可回收弹性体在建设可持续社会中起着至关重要的作用。
高强度、高韧性、高弹性的可修复和可回收弹性体在飞机轮胎等高科技行业以及软机器人、柔性电子和可伸缩光学设备等新兴领域显示出巨大的前景。
那那橡胶弹性体跟蜘蛛丝又有什么关系呢？科学家带领读者们看看，如何模仿蜘蛛丝来研发高性能的弹性体。
在蜘蛛丝的启发下，吉林大学化学学院的孙俊奇教授、刘小孔教授团队研制出了一种可修复、可回收的超分子弹性体，其断裂真应力等同于蜘蛛丝，韧性是普通蜘蛛丝的2.4倍。
该弹性体具有聚合物弹性体有史以来最高的抗拉强度，使其成为迄今为止最强和最坚韧的可修复弹性体。
研究成果以“Healable and Recyclable Elastomers with Record-High Mechanical Robustness, Unprecedented Crack Tolerance, and Superhigh Elastic Restorability”为题发表在最新一期《Advanced Materials》。
【弹性体的设计与制备】在给定的合成材料中实现高强度和高韧性的良好弹性组合是一个长期的挑战。
这些力学性质来源于不同的分子机制，因此它们通常是相互排斥的，开发具有高度矛盾力学性能和优异的抗裂性的可修复和可回收弹性体是一个巨大的挑战。
自然界已经发展出许多生物大分子的非共价自组装，从而产生了具有矛盾体力学特性的强大天然材料。
蜘蛛丝是自然界中发现的最坚固的材料之一，它具有极高的强度，结合了巨大的韧性和良好的弹性。
蜘蛛丝具有两相结构，其中由氢键多肽链组成的β薄片纳米晶体均匀地嵌入在非晶态基体中。
蛛丝显著的力学稳定性主要源于β薄片纳米晶体中独特的氢键阵列。
因此，合理设计氢键交联可以得到与蜘蛛丝相当坚固的人造弹性体。
图1 蜘蛛丝的结构示意图。
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第21卷 第2期Vol 121 No 12材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of Materials Science &Engineering总第82期Feb.2003文章编号:10042793X (2003)022*******收稿日期:2002207205;修订日期:2002211215基金项目:国家自然科学基金资助项目(50173018),江苏省青年科技创新人才资助项目(BK 2002402)作者简介:刘敏(1978—),江苏南通人,硕士研究生。
蜘蛛丝力学性能的多变性刘 敏,李春萍,潘志娟,唐 莹(苏州大学材料工程学院,江苏苏州 215021) 【摘 要】 为进一步探索蜘蛛丝的成丝机理,研究了不同个体大小,不同生存方式,不同环境湿度的大腹圆蛛牵引丝的拉伸性能。
结果表明,蜘蛛对其丝纤维的结构和性能具有自我调控能力,随着环境,自身条件,生存方式等成丝条件的变化,蜘蛛牵引丝的力学性能也会发生相应的变化。
【关键词】 大腹圆蛛;牵引丝;力学性能;成丝机理中图分类号:TS10213+3 文献标识码:AV ariability of mechanical Properties of Spider Dragline SilkLIU Min ,LI Chun 2ping ,PAN Zhi 2juan ,TANG Ying(College of Material E ngineer of Suzhou U niversity ,Suzhou 215021,China)【Abstract 】 The mechanical properties of the Araneus Ventrious spider dragline silks were studied at variable conditions ,humidity ,spider ’s weight ,crawling way ,to understand spider ’s spinning mechanisms.The results showed that spiders were able to control the struc 2ture and properties of dragline silks.The mechanical properties changed with the spinning conditions.【K ey w ords 】 araneus ventrious ;dragline silk ;mechanical properties ;spinning mechanism 蜘蛛是自然界一类奇特的动物,其种类繁多,在地球上分布极广。
经过与自然界几亿年的抗争与进化,蜘蛛为生存而获得了形成天然“生物钢”———蜘蛛丝的功能。
进入20世纪90年代,蜘蛛丝以其高强度,高弹性,高断裂功,低比重等优异性能引起了各国材料、生物和化学等领域研究人员的极大兴趣,研究工作日趋深入。
作为自然界最优良纤维之一的蜘蛛丝,其力学性能优于蚕丝,羊毛等其他天然纤维,而且蜘蛛对其丝纤维的结构和性能具有自动调控能力,随着外界环境,自身条件,生存方式等的变化,其力学性能也会相应发生改变。
研究影响蜘蛛丝力学性能的因素对于探索蜘蛛丝的形成机理及分析蜘蛛的纺丝机制具有一定的指导作用。
本文以我国南方地区分布较广的圆蛛科结圆网蛛大腹圆蛛作为研究对象,研究了蜘蛛生存方式,个体大小和其牵引丝力学性能间的关系,分析了成丝方式、环境湿度对其力学性能的影响,初步探索了蜘蛛牵引力学性能多变性的成因。
1 材料及方法111 材料大腹圆蛛采集于江苏海门某农村旧农舍和家畜饲养场,将采集的蜘蛛放置于高度55mm 的纸盒(上封透明保鲜膜),高度350mm 少量透光纸箱(上封医用纱布)以及高度350mm 透明有机玻璃缸内饲养。
取丝时用医用手术剪将蜘蛛爬行时分泌的牵引丝剪下放在容器中以备实验用(注意不可使丝受拉力)。
选取不同个体大小的蜘蛛称重后,饲养在有机玻璃缸内,隔日取下其分泌的牵引丝备用。
将蜘蛛置于黑色清洁桌面,让其从桌面上垂直下落,取下落瞬间的丝得到垂直下落蜘蛛牵引丝。
取一组蜘蛛牵引丝分别在不同湿度条件平衡24h 后,密闭置于干燥缸内备用,RH 分别为40%,60%,80%,然后在相应湿度,20℃下测定其力学性能。
112 实验仪器YG 004A 型单纤维电子强力仪。
113 测试条件环境条件20℃,RH 为65%,拉伸速度:10mm Πmin ,试样夹持长度:10mm ,初始张力:011cN 。
2 结果与分析211 个体大小与力学性能的关系表1 不同个体大小的蜘蛛牵引丝拉伸性能T able1 Mech anical properties of spider dragline silk(different w eight)Sam pleBreak strength/cN Break strain/%Break energy/cN・mmx SD C VΠ% x SD C VΠ% x SD C VΠ%Big spider 2.87 1.1941.5663.2727.0242.717.75 4.7961.87 Little spider 1.120.4237.7733.7616.147.7 1.82 1.4177.67 其中大蜘蛛体重约为3克,小蜘蛛重约为1克 表1所示为不同个体大小的蜘蛛牵引丝位抻性能,从表1可知,同一时间取的大小不同的蜘蛛牵引丝的断裂强力,断裂伸长率和断裂功是不同的。
大蜘蛛牵引丝的断裂强力和断裂伸长率均大于小蜘蛛的,因而断裂功也较大。
再对照蜘蛛的自身重量,不难看出,丝的断裂强力与蜘蛛自重存在着明显的相关性。
牵引丝被称为“蜘蛛的生命线”,饲养于容器内的蜘蛛在爬行过程中所产生的纤维首先必须确保蜘蛛自身的安全。
Osaki[1]等在研究中发现,人工卷取的蜘蛛牵引丝的力学性能与蜘蛛的体重有相关性,一般来说,屈服应力为其体重的2倍,断裂应力为其体重的6倍。
G riffiths.J.R[2]的研究结果也表明,较大的蜘蛛所分泌的丝纤维的细度也相应较大,卷取的牵引丝强力约为蜘蛛自身重量的3倍。
本实验结果中牵引丝的强力与蜘蛛自身重量相似,与文献报道的结果有所差异,这可能与其成丝方式不同有关,人工卷取过程中,蜘蛛丝纤维所受到的外界牵伸作用较大因而所得牵引丝的强力偏大。
将上述蜘蛛牵引丝的断裂强力结合牵引丝的细度(D大=61136μm,D小= 41227μm),折算成断裂应力分别为σ大=971cNΠmm2,σ小= 79815cNΠmm2,由此可看出,即使排除细度的影响,大蜘蛛牵引丝的强度仍优于小蜘蛛的,这说明大小蜘蛛牵引丝在内部结构上可能存在差异,大蜘蛛对于其成丝过程的控制能力更强。
212 生存方式和其牵引丝力学性能的关系表2 不同生存方式的蜘蛛牵引丝拉伸性能T able2 Mech anical properties of spider dragline silk(different cra w ling w ay)Breed containerBreak strength/cN Break strain/%Break energy/cN・mmx SD C VΠ% x SD C VΠ% x SD C VΠ%Box1144015236.5324.418.4834.76 1.510.6442.5G lass box 2.250.8838.9225.23 5.1620.45 2.351 1.1749.92 Cardboard chest 3.41 1.0530.8748.579.5219.607.236 3.0642.27 Vertical fall 5.000.8617.2934.62 5.7216.528.202 2.4630.03 表2所示为不同生存方式的蜘蛛牵引丝拉伸性能,蜘蛛垂直下落时分泌的牵引丝与其他生存方式下丝纤维相比,前者的断裂强力是很突出的。
蜘蛛垂直下落过程中,在提肌肌肉作用下,腺体内的阀门夹持住丝,同时丝纤维受到蜘蛛自重的作用被快速拉伸,剪切力加大,半结晶状态的分子卷曲状结构有可能因快速拉伸而转变为折叠片层结构,结晶和取向度都提高,所以强力较大。
低矮的盒内和玻璃缸内蜘蛛牵引丝的力学性能间也存在差异,玻璃缸内蛛丝的断裂强力更高。
原因可能是两类蜘蛛在这两种情况下爬行方式的不同,玻璃缸内的蜘蛛更多进行的是垂直爬行,而盒内蜘蛛则是水平爬行。
前者由于垂直爬行带来的危险感促使其对内部成丝过程进行控制,从而提高了丝的强力。
M.A.G arrido[3]等人研究了不同重量的蜘蛛在自由下落时牵引丝的力和位移的关系,同时与水平爬行时蜘蛛牵引丝的应力-应变曲线比较,发现蜘蛛能根据负载条件的变化调整牵引丝的细度。
水平爬行时,蜘蛛不存在随时掉落的危险,尽管其生命线(牵引丝)的连接作用依然维持,但纤维的细度不足以承受突然下落带来的负载;垂直爬行时,蜘蛛随时处于坠落的危险中,因此牵引丝拥有较大的细度能够为突然下落提供安全的保障。
箱内和玻璃缸内蜘蛛的爬行方式是一致的,但从表2同样可以发现二者强力的差异还是较大的,前者明显高于后者。
究其原因可能是动物体的趋光性,因为箱内光线较弱,顶部纱布处光线相对较强,蜘蛛的趋光性迫使其向顶部爬行且长时间吊垂于顶部覆盖层,而玻璃缸内的蜘蛛不存在此类问题,其生存的危机感明显小于箱内蜘蛛,所以玻璃缸内蜘蛛分泌的丝强力远小于箱内蜘蛛的分泌产物。
正是由于蜘蛛在长期进化中培养出的对危险的敏感性,造成蜘蛛对其丝纤维性能的自我调控。
213 环境湿度的影响蜘蛛牵引丝在不同湿度条件下受力时,随湿度增加强力有所下降,断裂伸长率减小,断裂功下降,即湿强小于干强(如表3所示)。
・922・第21卷第2期刘 敏,等:蜘蛛丝力学性能的多变性 表3 蜘蛛牵引丝在不同湿度下的拉伸性能T able 2 Mech anical properties of spider dragline silk(different humidity)Humidity Break strength/cNBreak strain/%Break energy/cN ・mmx SDC V Π%x SDC V Π%x SDC V Π%40% 2.510.7730.8142.1717.3838.48 5.29 3.2160.7260% 2.430.8936.7839.5720.9652.98 4.95 3.8978.6480%2.090.628.5138.8515.1138.94.052.3959.08 与蚕丝不同的是,蜘蛛丝中小侧基氨基酸含量普遍比蚕丝丝素低,由于大侧基氨基酸含量的相对偏多使分子堆砌的紧密程度不及蚕丝,导致蜘蛛丝结晶度小。