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刘大彪课题组发现蜘蛛丝遇湿扭转新特性
日期:2019-03-05

新闻网讯 3月1日,土木学院力学系刘大彪课题组在美国科学促进会(AAAS)出版的《科学》(Science)子刊《科学•进展》(Science Advances)上发表了题为“蜘蛛丝用作湿度驱动的扭转致动器”(Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity)的研究论文。刘大彪博士为论文第一作者和共同通讯作者,何玉明教授指导了该项研究,硕士生郑诗敏、本科生余淼和余龙腾参与了该项研究。论文的合作者还包括:美国麻省理工学院Markus J. Buehler教授(共同通讯)、Anna Tarakanova博士、英国伦敦玛丽女王大学D. J. Dunstan教授和湖北大学刘杰教授。

  蜘蛛丝是由蜘蛛的腺体分泌的一种生物蛋白质纤维,因其具有其优异的力学性能、精巧的分级结构和潜在的应用前景,受到了国内外学者的广泛关注。蜘蛛在其生命历程中,会因生存需要或外界刺激产生多种性能和功能不同的丝,其中以大壶状腺丝力学性能最为优越,有“生物钢”之称。此前研究显示这种大壶状腺丝对水敏感,具有“超收缩”(supercontraction)性能,当相对湿度达到一定水平时,其可在长度方向上收缩约50%。蜘蛛丝的超收缩性能使其在人造肌肉或拉伸驱动器领域具有潜在的应用价值。但是,目前尚不清楚湿度会如何影响蜘蛛丝的扭转变形行为。

  该团队研究表明,当相对湿度达到约70%时,蜘蛛大壶状腺丝开始产生超过每毫米300度的扭转变形。通过调节相对湿度,研究人员可精确控制蜘蛛丝的扭转变形,这一特性在蚕丝、头发丝和凯夫拉等纤维中未被发现。随后,他们基于蜘蛛丝的分子结构对该现象的物理机制进行了阐释。这种蛛丝主要由MaSp1和MaSp2蛋白组成,后者含有大量脯氨酸环,遇到水分子发生反应后脯氨酸环中的氢键以非对称方式被破坏,从而导致蜘蛛丝朝一个方向扭转。这一发现可以启发人们设计出新颖的扭转驱动器或人造肌肉,并有助于开发新型传感器、智能纺织品或绿色能源设备。

  著名生物物理学家、美国威斯康星大学麦迪逊分校教授Pupa Gilbert评价说,“这是一个奇妙的发现,因为作者观察到蜘蛛丝的扭转是巨大的。这种蛛丝就像一根绳子,随空气湿度变化而不断扭转,这种具备特殊性能的分子机制可用来制造由湿度驱动的软体机器人或智能面料。”

  著名固体力学家、美国工程院院士、美国西北大学黄永刚教授评价该工作“利用蜘蛛丝对湿度的高度敏感性,证明了蜘蛛丝可以被制作为非常精确的扭转驱动器。这是一个新颖的概念,它可能在电子、生物医学等多个领域得到应用,例如,制作吸湿人工肌肉和湿度传感器等。”黄永刚教授认为“该工作结合了分子模拟、实验验证和深入的分析,从而将化学键基本变化与宏观现象联系起来。从基础科学的角度讲,这是至关重要的,同时对于应用也是令人兴奋的。”

  以上工作得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程项目、欧盟“玛丽•斯克沃多夫斯卡•居里”学者奖学金(MSCA-IF)、湖北省自然科学基金以及华中科技大学自主创新基金等项目的资助。

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