研究人员最初的发现似乎是自相矛盾的，因为大多数其他聚合物纤维在寒冷中都会脆化。但经过多年的研究，研究人员发现蚕丝的低温韧性是基于其纳米级的纤维。亚微观秩序和层次使丝绸能够承受零下200摄氏度的温度，甚至可能更低，这将使这些经典的天然奢侈纤维，是成为在寒冷外层空间深处应用的理想选择。这个跨学科团队研究了几种动物丝的行为和功能，这些动物丝被冷却到-196℃的液氮温度。
这些纤维包括蜘蛛丝，但研究集中在野生家蚕柞蚕(Antheraea Pernyi)的较厚和更多商业纤维上。现在表在《材料化学前沿》期刊上发表的研究中，该团队不仅能够证明“那个”，而且能够证明“如何”在大多数材料变得非常脆的情况下，丝绸会增加其韧性。事实上，丝绸似乎与聚合物科学的基本理解相矛盾，因为在真正寒冷的条件下，通过变得更坚固和更具伸缩性，丝绸不仅不会失去质量，反而会获得质量。这项研究研究了“如何”并解释了“为什么”。
事实证明，潜在过程依赖于许多纳米大小的原纤维，这些纤维构成了丝绸纤维的核心。与传统聚合物理论相一致，这项研究表明，随着温度的降低，单个原纤维确实会变得更硬。这项研究的新颖性和重要性在于得出这样的结论：这种硬化导致摩擦力增加。这种摩擦反过来又增加了裂纹能量的转移，同时也抵抗了原纤维的滑移。温度的变化也会调节单个丝蛋白分子之间的吸引力，进而影响每个由数千个分子组成的纤维核心特性。
重要的是，该研究能够在微米和纳米级别上描述增韧过程。该团队的结论是：任何撕裂材料的裂缝在每次撞击纳米纤维时都会被转移，迫使它在不得不需要在许多弯路中失去更多能量。因此，丝绸纤维只有在成百上千的纳米原纤维首先拉伸，然后滑动，然后所有的纳米原纤维都单独断裂时才会断裂。这一发现正在突破边界，因为它在概念上困难和技术上具有挑战性的领域中研究了一种材料，不仅跨越了微米和纳米尺度，而且还必须在远低于任何深冰柜的温度下进行研究。
所研究的鳞片尺寸范围从纤维的微米尺寸到长丝束的亚微米尺寸，再到原纤维的纳米尺度，最后但并非最不重要的是超分子结构和单分子水平。在尖端科学和未来应用的背景下，值得记住的是，丝绸不仅是100%的生物纤维，而且是具有数千年研发历史的农产品。这项研究似乎具有深远的意义，因为它提出了一系列新的丝绸应用，从在地球两极地区使用的新材料，到在海峡和中观球体飞行的轻型飞机和风筝的新型复合材料，甚至可能是机器人蜘蛛织成的巨型网，以捕获太空中垃圾。
牛津大学动物系的Fritz Vollrath教授说：预计这项研究将导致设计和制造新的坚韧结构长丝和复合材料家族，使用天然和丝绸长丝在太空等极端寒冷的条件下应用。来自上海复旦大学大分子科学系的邵正中教授说：我们的结论是，蚕丝纤维在低温下的优异机械韧性来自其高度取向和取向，相对独立和可延伸的纳米原纤维形态。北京航空航天大学的Juan Guan博士说：这项研究为我们对天然高性能材料的结构，性能关系的理解提供了新见解，希望这能促使制造出适用于低温和高冲击应用的人造聚合物和复合材料。
谢菲尔德大学的克里斯·霍兰德博士表示：天然丝绸继续证明自己是纤维生产的黄金标准材料。霍兰德博士是全欧洲研究联盟(Research Consortium)的领导者，该联盟基于对天然丝绸纺纱的洞察力，致力于研究新颖、可持续的生物纤维。这项研究表明，丝绸成功的秘诀不仅在于化学，还在于丝绸是如何纺成的，因此，丝绸的结构也是如此。这项研究的下一步将进一步测试这些惊人的特性，正在探索纺丝蛋白蜘蛛的方法，并专注于复制捆绑原纤维的亚微米结构。
博科园｜研究/来自：牛津大学
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