蜘蛛丝,不只是强韧!

蜘蛛丝,不只是强韧!

写在前面:

  这篇文章原本是我2018年投在中国青年报上的科普小文,搬到知乎上重制一下,已经征得报社编辑同意了~另外,如果还有人想转载,可以私信商量,请不要不宣而转~如果您看完觉得有趣,就请您点个赞吧,谢谢您啦~~~


  在僻静的小路上踱步,在雨后的公园中慢跑,窗口远眺,家中小憩,每当空气中开始凝结诗意的气息时,宁静常常被一个令许多人毛骨悚然的小东西——蜘蛛打破。除了蜘蛛本身毛茸茸的外表、千奇百怪的颜色之外,黏黏的蜘蛛网也让人感到不适。还记得孩提时班级大扫除,大家总是会请班里个子最高的同学操起一把鸡毛掸子,“重点照顾”墙角沾满灰尘的蜘蛛网……

图片来源https://pic.52112.com/180528/JPG-180528_356/3SD1duRW8S_small.jpg

  蜘蛛丝与蚕丝相似,都是由蛋白质组成的动物纤维。然而,它们又有所不同,蚕吐丝是为了结茧,以便日后破茧化蝶;而蜘蛛吐丝则是为了织网捕食,维持生计。不同的用途依赖于它们不同的性质。蚕丝柔顺光滑,透气性和吸湿性都不错,因此蚕宝宝用它们做成了外壳,充当自己的家,而我国先民们也早早发现了这种神奇的材料,并创出蚕桑缫丝这一行当,做出了各种丝绸织物而扬名天下。而蜘蛛丝既有磐石的坚固,又有蒲苇的柔韧,由其织成的蜘蛛网不仅不畏风雨,而且就算高速飞行的小虫撞击通常也不会使其破裂,因此,兼具高强度和高韧性的蜘蛛丝堪称“生物钢材”,在军工、建筑等领域大展身手,用于制作防弹衣和各类军用装备的防护罩。[1][2]

蚕丝——真丝衣物。图片来源及版权见水印
蛛丝——防弹衣。图片来源中时电子报https://www.chinatimes.com/cn/realtimenews/20180808003935-260417?chdtv

  这些不同的性质又取决于它们不同的结构与形状。蚕丝纤维表面光滑、粗细均匀,其直径一般在二三十微米;而蜘蛛丝则分为曳丝和黏丝两类[3],它们粗细与蚕丝相近,但曳丝表面相对光滑且具有极强大的力学强度,而黏丝表面则布满了蓬松的泡芙状微米结构,这些结构像是被压扁的棉花糖一样由许许多多更细的亲水蛋白纤维组成,因此具有更强的韧性和黏性。除了曳丝强大的力学性能,蜘蛛丝还有许多其他奥秘等待人们探索发现。[4]

蚕丝表面光滑,粗细均匀
蜘蛛黏丝及其表面蓬松的泡芙状微米结构,放大后能看到泡芙内杂乱无章的蛋白纤维

  夏季雨后抑或仲秋时节的清晨,蜘蛛网上常会凝结许多小水珠,犹如一根根银丝串起了一颗颗大珠小珠,迎着日光显得颇为可爱。那么这些小水珠在蜘蛛丝上的排列有什么规律吗?答案是有的。在棉花糖上洒水,细如毫毛的糖纤维会溶解在水中,逐渐凝聚成为糖浆液滴,液滴越来越大,棉花糖也会被腐蚀出一个个孔洞,最终雪白蓬松的棉花糖会坍缩成一小团糖块。与之相似,蜘蛛丝上这些微米级棉花糖状结构遇水也会逐渐收缩成为纺锤状凸起,这些小纺锤便是驱动水珠定向移动的推手。[4]

微米泡芙逐渐吸水垮塌,形成纺锤状,水滴会汇集到纺锤上

  这一现象其实在生活中非常普遍,当我们在针尖或仙人掌的刺尖喷水时,小水滴通常不会乖乖待在针嘴尖的位置,而是会快速跑到锥形针头的底部,而蜘蛛丝上的小纺锤无非是两个圆锥底对底贴在一起的形状罢了。[5][6]之所以会出现这种现象,源于水,或者说液体,倾向于以表面积最小的形态存在,也即是我们常看到的在水滴落的过程中常呈现出的球形或其他类似形状。回到我们的纺锤结构上,当水珠凝结或粘黏在两端时,水滴需要敞开胸怀拥抱着才能稳定存在,这必然增大了水与蜘蛛丝的接触面积,但在纺锤的中部,同样体积的水滴就可以收成一团或减小拥抱的幅度。当然,纺锤两端与中间的表面粗糙度也不尽相同,如此一来,前后便有了能量差,便推动了水滴的移动。仿照蜘蛛丝的结构,可以做出与之功能相同的仿生材料,这种能定向收集水珠的仿生蛛丝可以用于潮湿狭小空间除湿或者干旱地区集水,效法其原理还可以实现定向收集油滴、液体中定向收集气泡,等等。

仙人掌刺有微米、纳米两级锥状刺,在湿度高的时候就会收集水雾
仙人掌刺嗖嗖嗖收集水雾https://www.zhihu.com/video/1178501586816573440

  液滴在蜘蛛丝上的艺术还不止于此。

  日常生活中,我们常常受困于胡乱缠绕的鞋带、毛线团、耳机线等,似乎全世界的死结都在不经意间打在了你周围这些线状的物体上,而蜘蛛丝则不会受困于此。在较高相对湿度的环境下,蜘蛛丝表面会凝结出许许多多的小水珠,这一点前面我们已经说过了。其实,这些看似多余的小东西还是收纳线团的法宝。在拉伸蜘蛛丝时,它会像橡皮筋一样被拉得又细又长,而其表面凝结的小水珠也会分裂成一个个更小的水珠;在压缩蜘蛛丝时,它并不像绳子或者橡皮筋那样耷拉下来,而是展现出了超强的收纳能力——绝大多数水珠汇聚成为一个大水珠,而多余出来的蜘蛛丝都被这个大水珠包了进去,虽然无序,但又不会互相缠绕打结,原本强韧的蜘蛛丝仿佛一团液体一样自然地融合在了一起。同样,换用其他高分子材料(如聚氨酯塑料纤维、聚乳酸塑料纤维等)来仿制蜘蛛丝,再用硅油或酒精的液滴来代替原本蜘蛛丝上的小水珠,也可以观察到这种拉伸时如同橡皮筋而压缩时如同液体的现象。虽说这种液滴与纤维组成的复合体系并不能帮大家打理鞋带或者耳机线,不过却可以用在工业上,为各类闲置的纤维状物品找一个安置之处。[7]

水珠会帮助蛛丝拉伸、收缩
蜘蛛丝+水珠=不打结的耳机线 1https://www.zhihu.com/video/1178501331022749696蜘蛛丝+水珠=不打结的耳机线 2https://www.zhihu.com/video/1178503494495051776没水有水蛛丝的区别如此之大https://www.zhihu.com/video/1178503554578452480

  行走蜘蛛丝上的艺术远不止这些,自然界中的奥秘更是数不胜数。不过,只要拥有一颗勇于探索的心和一双善于发现的眼睛,发现下一个秘密的人可能就是你呀!


作者:(我自己) 来源:中国青年报 (2018年02月05日 12 版 科技前沿版)

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附封面图片及来源[8]

参考

  1. ^转基因蛛丝:防弹衣新材料 http://jandan.net/2016/07/13/spider-silk-armor.html
  2. ^美国空军研制蛛丝防弹衣和降落伞 https://www.military.com/defensetech/2018/08/07/air-force-studying-spider-silk-stronger-body-armor-parachutes.html
  3. ^蚕宝宝吐蜘蛛丝,锻造转基因“生物钢材” http://www.sohu.com/a/110932964_354973
  4. ^ab参考文献:Nature 463, 640–643(2010) https://www.nature.com/articles/nature08729
  5. ^参考文献:Nat. Commun. 3, 1247 (2012)  https://www.nature.com/articles/ncomms2253
  6. ^参考文献:Adv. Mater. 2019, 31, 1800718 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201800718
  7. ^参考文献:PNAS , 2016 113 (22) 6143-6147 https://www.pnas.org/content/113/22/6143
  8. ^http://p3.qhimg.com/t01a51699566cbb0a1a.jpg
编辑于 2019-11-18

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