編者按：為了解前沿科技動態(tài)，科普中國前沿科技項目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時間用通俗語言進行解讀。讓我們透過頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂趣。

?

蠶，是一種以桑葉為食的昆蟲，吐絲是其一生的主要“工作”。蠶絲以其柔軟和生物相容性好等特性，頻繁出現(xiàn)在我們生活中的各個角落。

蠶繭

（圖片來源：veer圖庫）

2024年10月14日，中國科學(xué)家在國際知名期刊《先進材料》上發(fā)表了一項關(guān)于“將碳納米管噴灑在桑葉上喂養(yǎng)蠶”的研究工作，將蠶絲的拉伸強度從1.02GPa提升至1.18GPa，成功地實現(xiàn)了碳納米管對蠶絲力學(xué)性能的增強作用。

研究成果發(fā)表在《先進材料》上

（圖片來源：《先進材料》官網(wǎng)截圖）

蠶主要以桑葉為食，碳納米管如何被蠶食用，蠶愛吃嗎？食用了碳納米管蠶寶寶吐出來的蠶絲，有什么特別的用處呢？本篇文章將帶你解讀！

?

在此之前，先來看看蠶為什么會吐絲

大多數(shù)人小時候都有飼養(yǎng)蠶寶寶的經(jīng)歷，從細芝麻粒大小的蠶卵到質(zhì)量膨脹至數(shù)千倍的蠶繭，只需二三十天的時間，并且整個過程只需喂養(yǎng)桑葉。蠶的一生經(jīng)過卵、幼蟲、蛹、成蟲等階段，吐絲過程發(fā)生在幼蟲到蛹期間。

蠶生命周期中的重要階段

（圖片來源：veer圖庫）

蠶吐絲是自我保護的一種方式，發(fā)育到蠶蛹階段的蠶不再進食，行動能力變?nèi)酰菀资艿教鞌车膫Α６尚Q絲組成的蠶繭為蠶提供了一個“安全屋”，蠶可以在里面安心地發(fā)育。

蠶吐絲還是蠶自我“解毒”的過程，蠶在幼蟲時期會食用大量的桑葉，而桑葉本身含有多種氨基酸，其在蠶體內(nèi)積累過多會導(dǎo)致蠶中毒，因此蠶吐絲的過程也是排出體內(nèi)過多氨基酸的過程。

蠶繭內(nèi)的蠶蛹

（圖片來源：veer圖庫）

既然蠶吐絲能夠排出多余的氨基酸，那么蠶絲一定是由蛋白質(zhì)組成的。絲素和絲膠是蠶絲中含量較多的兩種蛋白質(zhì)，絲素是組成蠶絲纖維的主要結(jié)構(gòu)材料，絲膠包裹在絲素外，具有保護絲素的作用。此外，蠶絲中通常還含有少量的蠟質(zhì)、脂肪、微量元素等。

蠶絲是天然的長纖維，其平均長度可達1000米，可以直接用來織造。蠶絲還具有纖細柔軟、親膚性好等特點，被列入高檔紡織原料，更是被譽為“纖維皇后”。

絲巾

（圖片來源：veer圖庫）

蠶絲在絲綢等織物領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但是由于其力學(xué)性能較差，在高端領(lǐng)域如運動器材、航天織物等的應(yīng)用還有些“力不從心”。

?

喂食蠶寶寶的碳納米管是什么？

碳納米管（CNTs）是一種由碳原子組成的新型納米材料，具有獨特的中空納米結(jié)構(gòu)，可以被看作是石墨烯卷曲成的管狀結(jié)構(gòu)。碳納米管的尺寸小，直徑在幾納米到數(shù)百納米，是人類頭發(fā)絲的幾十萬分之一。

石墨烯管結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

在電學(xué)性能方面，碳納米管展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性，可以用于開發(fā)新型的電子器件，如場效應(yīng)晶體管（FETs）和超級電容器。高電子遷移率和熱導(dǎo)率也使其在電子設(shè)備散熱方面具有潛在的應(yīng)用價值。

碳納米管還具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強度和韌性極高，抗拉強度是鋼鐵的數(shù)倍，同時具有很低的密度。這使得碳納米管在復(fù)合材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，尤其是在航空航天和汽車制造領(lǐng)域用于制造更輕、更強的材料。

?

以桑葉為食的蠶，為什么會吃碳納米管？

蠶主要以桑葉為食，碳納米管如何被蠶食用，蠶愛吃嗎？

研究者使用的碳納米管的直徑小于10納米，長度小于15微米，并且將碳納米管分散在水中。為防止碳納米管團聚影響蠶的“食欲”，研究者利用木質(zhì)素磺酸鈣（表面活性劑）提高碳納米管在水中的分散均勻性，并且制備成均勻的溶液。最后將均勻的溶液噴灑在新鮮的桑葉上，供蠶寶寶享用。

利用碳納米管喂食蠶，結(jié)合強制繅絲，制備強絲纖維的示意圖

（圖片來源：參考文獻1）

此外，喂蠶碳納米管的時機也非常關(guān)鍵。研究者從蠶五齡幼蟲第二天的時候開始喂食噴涂有碳納米管分散液的桑葉。因為該階段的蠶開始在絲腺中產(chǎn)生絲漿液，碳納米管可以更好地融入絲漿液中。并且在這一階段，蠶對飲食變化的適應(yīng)能力更強。

一卷制備出的強絲纖維

（圖片來源：參考文獻1）

為了驗證碳納米管是否能成功“融入”蠶絲，研究者將蠶喂食碳納米管后吐出的絲進行脫膠和清洗，然后將其溶解，并且利用拉曼光譜和高分辨透射電鏡對過濾的殘留物進行表征，通過對碳納米管的特征峰和其輪廓特征的識別，驗證了碳納米管已成功摻雜在蠶絲中。

通過蠶絲在不同繅絲速度條件下的對比，喂食碳納米管的蠶吐出的絲在120毫米每秒的繅絲速度下的拉伸強度可以達到1.18GPa，相當于用一根頭發(fā)絲吊起一個手機，高于未喂食碳納米管的對照組。

用單根強絲纖維可吊起一只重約6克的蜘蛛

（圖片來源：參考文獻1）

?

制備出的強絲纖維可有什么應(yīng)用？

這種增強蠶絲具有高強度的特性，有望實現(xiàn)在高端領(lǐng)域的天然高強度纖維的應(yīng)用。在耐久防護織物領(lǐng)域，這種蠶絲可以用于制造更輕、更強的防護裝備；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，蠶絲還可以作為可生物降解的醫(yī)學(xué)植入物，減少患者對傳統(tǒng)金屬植入物的依賴。

航天服裝

（圖片來源：veer圖庫）

此外，盡管碳納米管添加的蠶絲本身可能沒有導(dǎo)電性，但是高溫處理后的蠶絲導(dǎo)電性會明顯增強。相關(guān)研究表明，將碳納米管和石墨烯共同添加的蠶絲經(jīng)過一千余攝氏度的高溫處理后，蠶絲的電導(dǎo)率提高10倍，為其在環(huán)保型可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

?

這種強絲纖維可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)嗎？

蠶從幼蟲到吐絲大約需要三十天左右的時間，產(chǎn)絲量與飼養(yǎng)的規(guī)模有關(guān)。蠶是植食性昆蟲，與蜘蛛不同的是，蠶不會發(fā)生同類相食的現(xiàn)象，并且可通過科學(xué)化管理和規(guī)模化養(yǎng)殖實現(xiàn)高效養(yǎng)蠶。

據(jù)統(tǒng)計，中國每年的蠶繭產(chǎn)量約七十余萬噸，生絲產(chǎn)量約十余萬噸，占全世界蠶絲產(chǎn)量的70%左右。隨著養(yǎng)蠶技術(shù)越來越成熟，蠶絲產(chǎn)量還在逐年遞增。盡管碳納米管喂食蠶的技術(shù)還處于起步階段，但是未來的養(yǎng)殖技術(shù)有望匹配現(xiàn)有的增強蠶絲生產(chǎn)規(guī)模，我們用上碳納米管摻雜的蠶絲指日可待。

?

結(jié)語

自然界中存在很多天然的原料，它們不僅為我們的日常生活提供了諸多便利，而且在科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展中扮演著重要角色。未來，隨著我們對這些材料的理解和應(yīng)用技術(shù)的提高，它們將在我們的生活中發(fā)揮更加重要的作用，幫助我們構(gòu)建一個更加環(huán)保、高效和可持續(xù)的世界。

?

參考文獻：

1. Lu H J , Jian M Q, Liang X P, et al. Strong Silkworm Silk Fibers through CNT-Feeding and Forced Reeling[J]. Advanced Materials, 2024.
2. Wang Q, Wang C, Zhang M, et al. Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers[J]. Nano Letters, 2016.
3. 李瑞,沈衛(wèi)德,田小平,等. 大規(guī)模養(yǎng)蠶綜合技術(shù)體系及其經(jīng)濟效果的研究[J].蠶業(yè)科學(xué), 2006.
4. 諸星靜次郎.蠶的發(fā)育生理[M].農(nóng)業(yè)出版社,1981.
5. 張威.蠶吐平面絲的飼養(yǎng)技術(shù)[J].農(nóng)家顧問, 1998.