吃了石墨烯后 蠶寶寶吐出了“超強(qiáng)”絲

圖為實(shí)驗(yàn)過程示意圖?？蒲腥藛T將含有碳納米管或者石墨烯的水溶液噴涂在桑葉上，用于喂食蠶蟲，最終得到復(fù)合了碳納米管或者石墨烯的蠶繭。

清華大學(xué)供圖

給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后，其吐出的蠶絲韌性增加了一倍，碳化蠶絲的電導(dǎo)率高出10倍。這種“超強(qiáng)”蠶絲可應(yīng)用在耐久防護(hù)織物、可生物降解的醫(yī)學(xué)植入物及環(huán)保型可穿戴電子設(shè)備中。

每個(gè)愛自然的孩子，可能都有過養(yǎng)蠶的經(jīng)歷。嫩綠的桑葉，白胖的蠶寶寶，結(jié)在掃把上花生大小的蠶繭，成為了兒時(shí)記憶里快樂的片段。最近，一則來自《科學(xué)美國人》雜志網(wǎng)站的報(bào)道，讓蠶寶寶成為了話題的“主角”。

報(bào)道稱，清華大學(xué)研究人員給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后，其吐出的蠶絲更加結(jié)實(shí)強(qiáng)韌。這種含有碳納米材料的蠶絲可應(yīng)用在耐久防護(hù)織物、可生物降解的醫(yī)學(xué)植入物及環(huán)保型可穿戴電子設(shè)備中。

被高科技“加持”的蠶寶寶吐出的“超強(qiáng)”蠶絲，或許只有蜘蛛俠噴射的蛛絲能媲美。那么，好奇心帶來了一串問題：加了石墨烯的桑葉，蠶寶寶們吃得慣嗎?“超強(qiáng)”蠶絲有多強(qiáng)?用它做成的可穿戴電子設(shè)備啥時(shí)候面世?

誤打誤撞的“超強(qiáng)”蠶絲發(fā)現(xiàn)之旅

碳納米管或石墨烯，聽上去都不像是正經(jīng)食物。怎么會(huì)想起給蠶寶寶喂食一些和桑葉八竿子打不著的東西呢?清華大學(xué)化學(xué)系副教授張瑩瑩介紹，這并非她所在團(tuán)隊(duì)的“首創(chuàng)”，為了讓蠶絲“天生”不一樣，韓國科學(xué)家、中國的科學(xué)家，此前都曾開展過類似實(shí)驗(yàn)。

研發(fā)適用于可穿戴電子設(shè)備的材料，是張瑩瑩的主攻方向之一。在她看來，絲綢作為一種親膚的天然材料，是做可穿戴電子設(shè)備的首選。作為可穿戴電子設(shè)備的材料，不僅對(duì)強(qiáng)度、韌性有要求，同時(shí)還要具備導(dǎo)電的性能。而蠶絲本身是不導(dǎo)電的，需要通過簡(jiǎn)單高溫?zé)崽幚韺⑺D(zhuǎn)化為高導(dǎo)電性的碳化絲綢。

然而，在高溫碳化的過程里，絲綢會(huì)變硬發(fā)脆，柔韌性有所降低。能不能通過給蠶喂食導(dǎo)電物質(zhì)，讓它吐出的絲自帶導(dǎo)電功能呢?帶著這樣的初衷，張瑩瑩和同事直接給蠶幼蟲所食桑葉中噴淋了含有碳納米管或石墨烯的水溶液，然后在幼蟲吐絲結(jié)繭后收集蠶絲。

考慮到蠶寶寶的口味和腸胃適應(yīng)能力，張瑩瑩團(tuán)隊(duì)做了2種配方，分別是濃度為1.0%和0.2%的水溶液，從蠶的三齡一直添加到五齡階段。如同人的年齡一樣，蠶的生長(zhǎng)也有蠶齡，第一次蛻皮稱一齡，以此類推，到五齡后，蠶就進(jìn)入結(jié)繭階段。

濃度1.0%的水溶液或許是太重口味了，被喂食此濃度溶液的蠶寶寶會(huì)有一部分不幸早夭。但令團(tuán)隊(duì)成員欣慰的是，喂食濃度0.2%溶液的蠶寶寶長(zhǎng)得又白又胖，看不出來有任何不適。經(jīng)過20來天的精心喂養(yǎng)，終于結(jié)出了圓潤的繭子。

很快，“開獎(jiǎng)”的時(shí)候到了。令人沮喪的是，收集到的蠶絲并沒有自帶導(dǎo)電功能。然而，驚喜在后頭。研究人員發(fā)現(xiàn)，它抵抗外力破壞的韌性增加了一倍，承受的應(yīng)力高出至少50%。

既然不能導(dǎo)電，還是免不了要碳化。研究團(tuán)隊(duì)將這種絲在惰性氣體中加熱到1050攝氏度，研究碳化后的蠶絲的電導(dǎo)率和微觀結(jié)構(gòu)。這種碳化蠶絲比普通碳化蠶絲的電導(dǎo)率高出10倍左右，并且拉曼光譜和電子顯微鏡成像表明，含有碳納米材料的碳化蠶絲的石墨化程度更高。

“通俗一點(diǎn)來說，我們得到的天然蠶絲盡管不能導(dǎo)電，但是它的強(qiáng)度和韌性確顯著提高了。而且碳化后的導(dǎo)電性能要優(yōu)于普通蠶絲碳化后的表現(xiàn)。”張瑩瑩解釋道。

期待多學(xué)科交叉探明內(nèi)在機(jī)理

為什么吃了碳納米管和石墨烯的蠶，會(huì)吐出不一樣的絲呢?吃進(jìn)去的配方溶液在蠶體內(nèi)是如何吸收轉(zhuǎn)化的?溶液的濃度和絲的力學(xué)性能是怎樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系?

對(duì)此，張瑩瑩介紹道，他們的研究表明，較低濃度的碳納米管或者石墨烯可阻止在蠶絲成型過程中絲素蛋白分子中的無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)向β-折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而使所獲得蠶絲具有更高的延展性及韌性。但是，如果碳納米材料的含量過高，會(huì)造成結(jié)塊等缺陷，使蠶絲的力學(xué)性能降低，用1.0%濃度所得到的蠶絲的力學(xué)性能比普通蠶絲有下降。

“碳納米管和石墨烯在蠶體內(nèi)的轉(zhuǎn)移是一個(gè)很復(fù)雜的生理過程，具體的機(jī)制和影響因素我們還不清楚，希望有生物學(xué)背景的團(tuán)隊(duì)能參與進(jìn)來，幫助揭開謎底，在未來能做出力學(xué)和導(dǎo)電性能俱佳的天然蠶絲。”張瑩瑩說道。

事實(shí)上，受實(shí)驗(yàn)條件限制，張瑩瑩團(tuán)隊(duì)喂養(yǎng)的蠶數(shù)量有限，沒有太多的樣本做更為細(xì)致的實(shí)驗(yàn)。一方面，養(yǎng)蠶是一個(gè)比較繁瑣耗時(shí)的過程，另外，北方氣溫相對(duì)太低，一年里大部分時(shí)間不太適宜蠶的生存。

“在第一輪實(shí)驗(yàn)中，我們只進(jìn)行了兩種濃度溶液的喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，未來還需要做更多的嘗試，尋找更佳的濃度值，以獲得具有更好的力學(xué)性能的蠶絲。”張瑩瑩表示。

在溶液濃度之外，喂養(yǎng)“特殊食譜”的起始時(shí)間是另一個(gè)值得探索的問題。蠶從3齡到5齡這20多天的時(shí)間里，到底什么階段開始喂養(yǎng)效果最佳，也有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)去求證。“我們了解到，蠶的絲腺的發(fā)育是從5齡才開始的，因此，有可能3齡到4齡階段的喂養(yǎng)對(duì)最后產(chǎn)出的蠶絲并沒有影響。如果這樣的話，我們就可以推遲使用‘特殊食譜’的時(shí)間。”張瑩瑩補(bǔ)充道。

據(jù)悉，目前已經(jīng)有對(duì)這項(xiàng)技術(shù)感興趣的絲綢公司表示愿意提供廠房、批量的蠶寶寶和技術(shù)人員，以合作開展更為深入和規(guī)?；膶?shí)驗(yàn)。

做離市場(chǎng)化最近的可穿戴器件

盡管給蠶喂食特定濃度石墨烯或碳納米管獲取“超強(qiáng)”蠶絲的研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，但張瑩瑩認(rèn)為如果將來成功獲得導(dǎo)電的天然蠶絲，將具有一系列重要的應(yīng)用價(jià)值。她介紹說，國內(nèi)外其他科學(xué)家也曾開展過類似的實(shí)驗(yàn)。例如，上海東華大學(xué)沈青教授曾在2014年，給蠶喂食了直徑為30納米左右的多壁碳納米管，制造出了新型絲纖維;韓國科學(xué)家曾給蠶喂食量子點(diǎn)，獲得了彩色的蠶繭等。來自東華大學(xué)的專家認(rèn)為，張瑩瑩團(tuán)隊(duì)使用的直徑為1—2納米的單壁碳納米管“更適合融入蠶絲蛋白的晶體結(jié)構(gòu)”。

此外，除了上述工作，張瑩瑩團(tuán)隊(duì)還以市面上的普通蠶絲布為原料，發(fā)展了高溫碳化技術(shù)，可制成高靈敏度、寬應(yīng)變檢測(cè)范圍的柔性可穿戴設(shè)備傳感器。這種傳感器可通過直接貼于人體皮膚或負(fù)載在衣物、配飾上實(shí)現(xiàn)人體全尺度運(yùn)動(dòng)的可穿戴式檢測(cè)。張瑩瑩非?？春眠@項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)前景，并申請(qǐng)了相關(guān)專利。她介紹說，他們制備出的柔性傳感器在性能指標(biāo)、穩(wěn)定性以及成本與制備技術(shù)方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，是離市場(chǎng)化最近的可穿戴電子器件之一。

“這種傳感器對(duì)如跑步、跳躍等大尺度運(yùn)動(dòng)以及脈搏、微表情、呼吸、聲帶發(fā)聲等小尺度運(yùn)動(dòng)，都能進(jìn)行檢測(cè)，還可與信號(hào)處理及命令生成系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的捕捉與重建。這項(xiàng)技術(shù)在人體生理信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)追蹤與肢體康復(fù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等方面具有很大的應(yīng)用潛力。”張瑩瑩進(jìn)一步舉例道。

用蠶絲做原料，會(huì)不會(huì)增加可穿戴電子設(shè)備的成本?張瑩瑩表示，我國是蠶絲產(chǎn)量最大的國家，蠶絲布料的成本一平方米僅三五十塊錢，而每平方米蠶絲布可制成大量的柔性傳感器;將來如果給蠶喂食獲得導(dǎo)電蠶絲的實(shí)驗(yàn)成功，即使算上給蠶喂食石墨烯或碳納米管的投入，成本也是可以接受的。

由蠶絲做成的可穿戴電子設(shè)備，聽上去很炫酷。不久的將來，你或許可以親身一試。