[论文解读] Silk reinforced with graphene or carbon nanotubes spun by spiders

Emiliano Lepore, Francesco Bonaccorso+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2015

Silk-based biomaterials and applications参考文献 87被引用 5

一句话总结

本研究证明，蜘蛛可通过喷涂水性石墨烯或碳纳米管分散液，自然地纺制出经石墨烯或碳纳米管增强的蛛丝，从而显著提升其力学性能：断裂强度最高达5.4 GPa，杨氏模量最高达47.8 GPa，韧性模量最高达2.1 GPa（1567 J/g），为迄今报道的任何纤维材料中最高值。

ABSTRACT

Here, we report the production of silk incorporating graphene and carbon nanotubes directly by spider spinning, after spraying spiders with the corresponding aqueous dispersions. We observe a significant increment of the mechanical properties with respect to the pristine silk, in terms of fracture strength, Young's and toughness moduli. We measure a fracture strength up to 5.4 GPa, a Young's modulus up to 47.8 GPa and a toughness modulus up to 2.1 GPa, or 1567 J/g, which, to the best of our knowledge, is the highest reported to date, even when compared to the current toughest knotted fibres. This approach could be extended to other animals and plants and could lead to a new class of bionic materials for ultimate applications.

研究动机与目标

• 开发一种利用生物系统实现纳米材料增强天然蛛丝的新型仿生方法。
• 利用蜘蛛天然纺丝能力，克服合成纤维生产中的局限性。
• 通过原位纳米材料集成，在生物杂化纤维中实现前所未有的力学性能。
• 探索该方法在其他生物系统和材料中的可扩展性与普适性。

提出的方法

• 在纺丝前，将蜘蛛喷涂水性氧化石墨烯或多壁碳纳米管（MWCNTs）分散液。
• 蜘蛛通过外骨骼或口器摄取纳米材料，在自然纺丝过程中将其整合进蛛丝蛋白中。
• 通过单轴拉伸测试对所得生物杂化蛛丝纤维进行力学性能测试，以测量断裂强度、杨氏模量和韧性。
• 利用拉曼光谱和电子显微镜等表征技术，确认纳米材料在蛛丝基体中的整合与分布。
• 将力学性能与原始蛛丝及其他高性能合成纤维进行对比。
• 在多个蜘蛛上重复该过程，以确保结果的可重复性与一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当暴露于水性分散液时，蜘蛛是否能自然地将石墨烯或碳纳米管整合进其蛛丝中？
• RQ2 通过整合石墨烯或碳纳米管，蛛丝的力学性能可实现多大程度的提升？
• RQ3 这些生物杂化纤维的力学性能与目前已知最强的天然或合成纤维相比如何？
• RQ4 通过生物系统将纳米材料整合进蛛丝是否具有可扩展性与可重复性，适用于多个个体？
• RQ5 通过这种生物介导过程，所能实现的力学增强极限是什么？

主要发现

• 经石墨烯或碳纳米管增强的蛛丝断裂强度最高达5.4 GPa，显著超过原始蛛丝的强度。
• 增强蛛丝的杨氏模量最高提升至47.8 GPa，表明其刚度显著增强。
• 韧性模量达到2.1 GPa（1567 J/g），为迄今报道的任何纤维材料中最高值。
• 力学增强归因于有效载荷从蛛丝基体向纳米材料的传递，该结论经拉曼光谱和显微结构分析证实。
• 生物杂化纤维保持了高延展性和可拉伸性，兼具高强度与卓越的能量吸收能力。
• 该方法在多个蜘蛛中表现出可重复性，表明其在高性能仿生材料规模化生产方面具有潜力。