北京
新型融合丝材料韧性堪比凯夫拉，同时兼具生物相容性和6G应用潜力。
来自塔夫茨大学、帝国理工学院和密歇根大学的研究人员开发出了一种将天然蚕丝转化为超强固体材料的新方法，无需溶解纤维或使用合成添加剂。所得材料在强度和韧性上可与先进复合材料相媲美，同时保持生物相容性，并可根据医疗应用需求进行调节。
该团队没有将蚕丝分解为蛋白质再重新构建，而是直接在受控温度和压力下将排列整齐的丝纤维融合在一起。这一过程保留了蚕丝大部分的原始分子结构，使最终材料得以保持纤维的天然强度。
研究人员表示，这种融合丝材的拉伸韧性超过了骨骼和木材等材料，并接近凯夫拉。同时，其抗弹道冲击性能也优于某些碳纤维增强聚合物复合材料。
塔夫茨大学工程学院研究助理教授李春梅说：“以往的工艺会将天然纤维分解成单个丝素蛋白，然后再加工成新的形状，因此我们损失了原始纤维的许多固有强度。”
“采用这种新方法，无需溶解蚕丝——我们只需将纤维排列整齐，再施加热量和压力，它们就能一步融合在一起。”
重塑丝强度
该材料的基础是纺织工业中常用的市售蚕茧纤维。研究人员首先用温和的碳酸钠溶液去除了包裹在纤维外层的丝胶蛋白。然后，将纤维排列整齐，并在精确控制的温度和压力下进行热压。
加热过程中，丝蛋白结构中活动性较强的部分软化到足以将相邻纤维粘合在一起，同时保留了负责强度和柔韧性的结晶区域。
“丝就像一种复合材料，”塔夫茨大学斯特恩家族捐赠工程学教授大卫·卡普兰说，“纤维蛋白中有一种活动性较强的非晶相，还有一部分蛋白质链折叠形成片状表面，这些片状表面又堆叠成晶体结构。”
研究人员找到了最佳工艺窗口：温度在257至419华氏度（125至215摄氏度）之间，压力范围在1900至9800个大气压之间。热量或压力过低会形成较弱的结构，而过高的温度则会使材料变脆。
最终结构在微观层面类似于木材，排列整齐的纤维束粘合在一起，能有效分散应力。研究人员表示，这种层级结构赋予了材料兼具韧性和耐久性的不同寻常特性。
可适配人体
该团队还测试了融合丝材在生物医学领域的应用。动物研究表明，该材料仅引发轻微的免疫反应，且反应会随时间减弱。
研究人员发现，通过调整加工条件，可以调控材料的降解速度。融合密度较低的版本允许细胞逐渐渗透，而密度更高的版本则能抵抗分解，并保持更长时间的稳定。
“我们可以根据所使用的条件来控制材料降解的快慢，”李春梅说。
研究人员认为，凭借其强度和生物相容性，这种材料未来可用于骨科植入物，例如用于骨折的接骨板、螺钉和固定装置。
密歇根大学的科学家还发现，融合丝材可以使太赫兹辐射发生偏振，这种辐射被用于机场扫描仪、医学成像和化学检测系统。研究团队表示，这一特性有望支持未来的6G通信技术，其数据传输速度将远超当今的5G网络。
这项研究已发表在《自然·可持续发展》期刊上。
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