充分利用超强蜘蛛丝

Kamal p Singh & Mehra Singh Sidhu

印度科学教育与研究学院，Mohali

蜘蛛丝是由蜘蛛为其网生产的，是一种奇妙的生物材料。它是最坚韧的天然纤维之一，但具有弹性，完全由蛋白质制成。实际上，蜘蛛会生产七种不同的丝绸，每种丝绸都是为了特定的目的。例如，它用于捕获猎物的丝绸非常有弹性，可以吸收飞行昆虫休克，而婴儿从母亲那里得到的第一批丝绸非常嫩。当有逃脱的危险时，它会制成最坚硬的丝绸。蜘蛛一生都在这些丝绸上度过，并在数百万年前就在地球上生存，远在我们的祖先之前。

这些丝绸有许多特殊的品质。一种特殊的类型，称为拉铲丝，用于蜘蛛网的外缘，可以比钢强五倍。它的直径只有几微米，比人发细约20倍。在蜘蛛侠电影中，正是这种惊人的拉丝力量。

蜘蛛丝，尤其是拉铲，一直使科学家感兴趣。由于其复杂的分层组织，因此尚无法在实验室中模仿这种材料。许多人已经探索了将拉丝丝的这种固有强度用于某些实际用途的可能性。然而，科学家们在将这些丝绸用于有意义的用途方面遇到了困难。对于要使用的任何材料，都应适合加工-切割，图案化，弯曲和与其他材料焊接。此外，加工不应改变其有益的材料特性。

问题是，在它存在的非常精细的水平上，丝绸不能在不失去其固有的高强度的情况下进行加工，这是需要开发的特性。并且它不能与其他材料集成以结合其有利的性能。科学家过去曾尝试过化学技术，但没有取得太大成功。

我们从事蜘蛛丝研究已经很多年了。最近，我们能够证明这种丝绸确实可以用激光加工而不会失去其关键特性。它为使用蜘蛛丝作为有用的生物材料提供了新的机会。

我们通过将丝绸暴露于飞秒激光脉冲来实现这一目标。一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。飞秒激光发射短而强的光脉冲。每个脉冲由无数光子或光粒子组成。现在，如果向蜘蛛丝发射一些光子，则什么也不会发生。这种丝绸对携带红外光范围能量的单个光子 “透明”。但是，如果我们缓慢地增加激光脉冲的能量，从而使丝绸分子有可能同时吸收两个或更多光子，则会导致有趣的变化。

首先，当丝绸同时吸收两个或多个光子时，它不再对能量 “透明”。它产生了债券的 “局部” 破裂。它类似于融化。由于丝绸分子同时发现两个或更多光子的机会在空间中是局部的，因此损害也非常局部。我们还观察到，当丝绸同时吸收六个光子时，会引起纳米级爆炸。相邻区域不受影响，因此材料的整体特性不会改变。

理想情况下，我们希望看到材料中只有几个原子破裂。但是这种精度还没有通过激光来实现。我们可以处理大约100纳米的区域。这类似于将100纳米切割到材料中。然后，这种小切口打开了各种材料图案化的可能性。

我们的结果为蜘蛛丝增加了一个新的维度，因为它可以在材料科学，纳米工程和生物医学应用中用于各种新用途。我们自己能够证明蜘蛛丝如何可以用来焊接组织状材料。我们成功地用丝绸制造了微小的传感器，这些传感器与最好的商用传感器一样灵敏。随着我们对惊人生物材料的理解的进步，我们期待着我们的想法的许多未来应用。