纳米纤维研究成功测量蜘蛛网“超级纤维”的强度

“小”有多小？蜘蛛丝纳米纤维只有几层分子层厚，大约相当于人类头发直径的万分之一。它们肉眼看不见，在普通显微镜下也看不见

在威廉玛丽学院，应用科学博士生Jake Silliman最近测量了这些微小纳米纤维的强度和可拉伸性，这是他的顾问、蜘蛛丝VMEC长期研究员Hannes Schniepp教授以前认为几乎不可能实现的壮举

研究结果发表在《高级功能材料》杂志上

“其他人已经尝试过了，”Schniepp说。“大多数人都放弃了，但杰克没有，他成功了。如果你对他所做的事情有一点了解，这真的令人印象深刻。认为这甚至是可能的，这实际上有点疯狂。”

这样的创新研究突显了W&；M的新计算、数据科学和物理学院。此外，Silliman和Schniepp之间的研究伙伴关系是该大学努力提供美国公立大学中最个性化教育的一个例子

研究蜘蛛丝近15年的Schniepp说：“提出受大自然启发的新材料和新技术是我最大的使命之一。”。“我们人类认为自己很伟大，可以发明东西，但如果你走出去，你会发现很多更令人兴奋的东西。”

按重量计算，蜘蛛丝的强度大约是钢的五倍，但Schniepp指出，这种材料更令人印象深刻的是它的延展性。强度和弹性的结合使其能够吸收大量能量。如果人类找到一种复制蜘蛛丝结构的方法，它就可以被制造出来用于实际应用

Schniepp说：“你可以用它做一根超级蹦极绳。”。“或者，在一个结构周围有一个盾牌，你有东西高速进入，你需要吸收大量的能量。诸如此类的事情。”

蜘蛛网链对不经意的观察者来说可能看起来很简单，但仔细观察就会发现，它们是交织在一起的复杂结构。Schniepp解释说，大约有50000种不同的蜘蛛，每种蜘蛛都有自己独特的丝。由于其结构中发现了纳米纤维网，因此将南方家蜘蛛的丝用于本实验

南方家蜘蛛的旋转装置由数百个喷嘴组成，在蜘蛛后腿的帮助下，这些喷嘴构成了一条复杂的三维线。股线的核心由两条不同的经线组成，这两条经线在中心基础纤维周围形成螺旋环。最细的纤维，纳米纤维，同时被纺成一个围绕这些支撑结构的网状物

虽然一些蜘蛛的网是通过沿线有规律间隔的胶滴来捕捉猎物的，但像南方家蜘蛛那样的网通过缠结、范德华力和毛细管粘附将猎物困在网中

为了发现和测量南方家蜘蛛丝网内纳米纤维的强度和可拉伸性，Silliman使用了原子力显微镜（AFM），这是一种强大的技术，可用于研究极其微小物体的物理性质

Silliman将丝上的纳米纤维剥离到拇指尖大小的硅盘上，硅盘上有大约200万个孔，每个孔的直径为200纳米。然后，他探测了孔上拉伸的纤维，并测量了它们的强度和可拉伸性

他说：“基本上，你使用一根超小的针——针的末端只有几纳米宽——然后在样品上敲击它。”。“这会逐像素构建地形图，为您提供图像。”Schniepp解释说，针尖非常锋利，最后只有几个原子厚

他说：“即使在最好的光学显微镜下，你也看不到它的尽头。”。“它会消失，因为它太小了，你甚至看不见它。这可能是地球上最先进的技术之一。”

这项技术非常敏感，地下室实验室建在由钢弹簧支撑的混凝土板上，在测量过程中，显微镜平台挂在橡皮筋上。这些结构修改有助于将显微镜与振动隔离开来

因为AFM针很小，所以过程很慢。西利曼说，在一个小时内，他可能能够扫描30到40个微小的洞

“你只需要一遍又一遍地进行扫描，希望你能找到一种放置在孔上的纳米纤维，这样你就可以真正进行测试，”他说。“经过足够的迭代，我们终于有机会用同一根针进行微小的机械测试。你推动纤维，然后你可以根据这些测量值和其他材料特性计算出纤维的强度。”Silliman和Schniepp发现，纳米纤维可以拉伸到原始长度的11倍，是之前测试过的任何蜘蛛丝的两倍多

Schniepp说：“蜘蛛丝作为一个整体是惊人的，看看这些微小的纤维，它们甚至更有弹性。了解这些结构可能会导致生产出一种可以吸收大量能量的材料，因为它非常有弹性。我们想越来越深入地真正弄清楚是什么让蜘蛛丝如此特别，我认为还有更多的惊喜在等着我们。”