科学家巧妙让蚕吃下碳纳米管，吐出“硬核”蚕丝有高端应用！
科学家巧妙让蚕吃下碳纳米管，吐出“硬核”蚕丝有高端应用！
近日，中国科学家在国际知名期刊《先进材料》上发表了一项突破性研究：通过将碳纳米管喷洒在桑叶上喂养蚕，成功将蚕丝的拉伸强度从1.02GPa提升至1.18GPa。这一创新方法不仅提升了蚕丝的力学性能，还为其在高端领域的应用开辟了新路径。
蚕茧（图片来源：veer图库）
蚕丝的奥秘
蚕，是一种以桑叶为食的昆虫，吐丝是其一生的主要“工作”。蚕丝以其柔软和生物相容性好等特性，频繁出现在我们生活中的各个角落。
蚕的一生经过卵、幼虫、蛹、成虫等阶段，吐丝过程发生在幼虫到蛹期间。蚕吐丝是自我保护的一种方式，发育到蚕蛹阶段的蚕不再进食，行动能力变弱，容易受到天敌的伤害。而由蚕丝组成的蚕茧为蚕提供了一个“安全屋”，蚕可以在里面安心地发育。
蚕生命周期中的重要阶段（图片来源：veer图库）
碳纳米管：神奇的纳米材料
碳纳米管（CNTs）是一种由碳原子组成的新型纳米材料，具有独特的中空纳米结构，可以被看作是石墨烯卷曲成的管状结构。碳纳米管的尺寸小，直径在几纳米到数百纳米，是人类头发丝的几十万分之一。
石墨烯管结构示意图（图片来源：veer图库）
在电学性能方面，碳纳米管展现出优异的导电性，可以用于开发新型的电子器件，如场效应晶体管（FETs）和超级电容器。高电子迁移率和热导率也使其在电子设备散热方面具有潜在的应用价值。
碳纳米管还具有优异的力学性能，其强度和韧性极高，抗拉强度是钢铁的数倍，同时具有很低的密度。这使得碳纳米管在复合材料领域具有巨大的应用前景，尤其是在航空航天和汽车制造领域用于制造更轻、更强的材料。
创新方法：让蚕食用碳纳米管
研究者使用的碳纳米管的直径小于10纳米，长度小于15微米，并且将碳纳米管分散在水中。为防止碳纳米管团聚影响蚕的“食欲”，研究者利用木质素磺酸钙（表面活性剂）提高碳纳米管在水中的分散均匀性，并且制备成均匀的溶液。最后将均匀的溶液喷洒在新鲜的桑叶上，供蚕宝宝享用。
蚕茧内的蚕蛹（图片来源：veer图库）
喂蚕碳纳米管的时机也非常关键。研究者从蚕五龄幼虫第二天的时候开始喂食喷涂有碳纳米管分散液的桑叶。因为该阶段的蚕开始在丝腺中产生丝浆液，碳纳米管可以更好地融入丝浆液中。并且在这一阶段，蚕对饮食变化的适应能力更强。
实验结果：强度大幅提升
为了验证碳纳米管是否能成功“融入”蚕丝，研究者将蚕喂食碳纳米管后吐出的丝进行脱胶和清洗，然后将其溶解，并且利用拉曼光谱和高分辨透射电镜对过滤的残留物进行表征，通过对碳纳米管的特征峰和其轮廓特征的识别，验证了碳纳米管已成功掺杂在蚕丝中。
通过蚕丝在不同缫丝速度条件下的对比，喂食碳纳米管的蚕吐出的丝在120毫米每秒的缫丝速度下的拉伸强度可以达到1.18GPa，相当于用一根头发丝吊起一个手机，高于未喂食碳纳米管的对照组。
丝巾（图片来源：veer图库）
应用前景：高端领域的新选择
这种增强蚕丝具有高强度的特性，有望实现在高端领域的天然高强度纤维的应用。在耐久防护织物领域，这种蚕丝可以用于制造更轻、更强的防护装备；在生物医学领域，蚕丝还可以作为可生物降解的医学植入物，减少患者对传统金属植入物的依赖。
航天服装（图片来源：veer图库）
此外，尽管碳纳米管添加的蚕丝本身可能没有导电性，但是高温处理后的蚕丝导电性会明显增强。相关研究表明，将碳纳米管和石墨烯共同添加的蚕丝经过一千余摄氏度的高温处理后，蚕丝的电导率提高10倍，为其在环保型可穿戴电子设备等领域的应用提供了可能。
大规模生产：可行性分析
蚕从幼虫到吐丝大约需要三十天左右的时间，产丝量与饲养的规模有关。蚕是植食性昆虫，与蜘蛛不同的是，蚕不会发生同类相食的现象，并且可通过科学化管理和规模化养殖实现高效养蚕。
据统计，中国每年的蚕茧产量约七十余万吨，生丝产量约十余万吨，占全世界蚕丝产量的70%左右。随着养蚕技术越来越成熟，蚕丝产量还在逐年递增。尽管碳纳米管喂食蚕的技术还处于起步阶段，但是未来的养殖技术有望匹配现有的增强蚕丝生产规模，我们用上碳纳米管掺杂的蚕丝指日可待。
结语
自然界中存在很多天然的原料，它们不仅为我们的日常生活提供了诸多便利，而且在科学和技术的发展中扮演着重要角色。未来，随着我们对这些材料的理解和应用技术的提高，它们将在我们的生活中发挥更加重要的作用，帮助我们构建一个更加环保、高效和可持续的世界。
参考文献：
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