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來人,餵蠶吃碳!吃了奈米碳管和石墨烯吐出強韌的超級蠶絲

蠶。圖/Harsha K R@flickr

蠶。圖/Harsha K R@flickr

(背景音樂:摩斯拉~摩斯拉~~)

養過蠶寶寶嗎?小時候因為上自然課,會到附近的柑仔店買蠶來養,然後到處去摘桑葉來餵牠們。不過說真的,我從沒真正搞懂為何要養,也不太認真照顧,現在回想起來實在有點殘忍,但依舊記得牠們一顆一顆色澤不同的繭,有白有黃有泛青。

話說養蠶取絲、織成絲綢一直是古代中國最獨門的技術之一,絲綢因為其獨特觸感跟光澤,曾經是國際貿易的主要物資,古代中國也曾嚴密管制技術外流,當然後來還是被其他國家山寨了,可即使如此,中國目前依舊是全球絲綢最大產地,2015 年生產了 17 萬公噸,是第二名印度的六倍[1]。

中國北京清華大學張瑩瑩副教授率領的團隊,近幾年一直在研究低維奈米碳材料的可控製備、性能調控與應用探索,特別是希望做出柔軟的電子器具、可以感測環境或是傳輸能源。因此她們便將目光轉向蠶絲,希望替這種受到人類廣泛研究跟應用的天然蛋白纖維找尋新的未來:讓本來就強韌的蠶絲變得更加強韌

張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系 http://www.chem.tsinghua.edu.cn/publish/chem/2142/2015/20150122211105423973151/20150122211105423973151_.html

張瑩瑩副教授,圖片取自中國清華大學化學系

過去研究人員為了要改變蠶絲試過許多方法,直接在絲上添加染劑、抗微生物劑、導電聚合物和奈米顆粒。張瑩瑩團隊過去曾經透過「高溫熱裂解」來使碳化絲綢具有「耐米石墨晶-微米級纖維-宏觀編織圖案」的分級結構,從而表現出柔性、高可拉伸性和高導電性的特點

不過,這次他們則嘗試直接讓蠶吃下「奈米碳管」和「石墨烯」,使牠們吐出「超級蠶絲」。

說到蠶絲的來源,是蠶將唾腺產生的絲蛋白溶液吐出成細絲,再把自己旋轉捆繞成繭,就在牠們準備羽化成蛾之前,人類將繭放進沸水中煮,並及時抽絲而成(當然蠶就都死了)。為了要得到「超級蠶絲」,張瑩瑩的研究團隊先調配 0.2% 的奈米碳管或石墨烯溶液,噴在桑葉上,接著就按著標準的程序養蠶取絲。如果是在已經紡絲的絲上加工,需要將奈米材料溶解在有毒的化學溶劑中,再施加於絲上,因此用餵食的方法是更簡單,對環境也更好的方式。

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在高解像能電子顯微鏡(High-resolution transmission electron microscopy)的成像中,一般蠶絲纖維呈現非晶質石墨(amorphous graphite )結構(頂部),而含有單壁奈米碳管(中間)和石墨烯(底部)的蠶絲纖維具有更有序的結構。 圖/Nano Lett.

與一般的絲比較起來,這種「碳增強絲」的韌性增為兩倍,並且可以在斷裂之前承受多以往 50% 以上的應力。團隊將絲纖維加熱至 1050℃ ,使其碳化,然後研究導電性和結構。由於納入奈米材料,這種蠶絲竟然能夠導電,而拉曼光譜和電子顯微鏡成像更顯示,碳增強絲纖維具有更有序的晶體結構。

雖然聽起來很棒,但還是有些問題。例如研究人員還不知道蠶到底是如何將奈米材料納入絲裡,到底納入的百分比是多少,又有多少經由排泄或代謝流失。研究團隊在絲線的橫截面中沒有看見碳材料,也許是因為奈米顆粒含量很低。不過想要回答這些問題,得靠生物學家來共同參與了。

中國上海東華大學的聚合物化學家沈青在 2014 年使用 30 奈米的多壁奈米碳管也做過了類似的實驗(Mater. Sci. Eng., C 2014, DOI:10.1016/j.msec.2013.09.041),他同樣發現絲纖維的強度跟韌性有所提升。不過張瑩瑩表示他們所使用,約 1 到 2 奈米寬的單壁奈米碳管更適合納入絲蛋白的晶體結構。同樣是中國上海東華大學,隸屬纖維材料改性國家重點實驗室的張耀鵬研究員也曾將二氧化鈦奈米顆粒餵給蠶,產生出能夠抗紫外線降解的超級絲。他表示張瑩瑩團隊研究出的碳強化絲將可能適合嵌入在智慧型紡織品中,作為傳感器和讀取神經訊號。

看起來餵給蠶各種奇妙的奈米材料,然後看會吐出什麼樣的絲正是顯學,你想到要餵蠶吃什麼了嗎?

編輯提醒:科學家叔叔阿姨有測試過,小朋友在家不要亂餵蠶吃東西喔!!!!

本文編譯自 Chemical and Engineering News 網站報導:Silkworms that eat carbon nanotubes and graphene spin tougher silk

原始論文:

  • Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers, Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03597

參考資料:

  1. BBC 知識雜誌國際中文版 2016 年 10月號
  2. “丝绸之路”——从桑蚕丝绸到可穿戴智能设备,X-MOL,2016.08.08

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