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  蜘蛛絲是一種天然的纖維材料，在經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的自然選擇進(jìn)化過(guò)程后，其強(qiáng)度和韌性之間達(dá)到了高度平衡，擁有極佳的力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度：1150±200 MPa；斷裂韌性：165±30 J g^-1；斷裂延伸率 >50%）。研究表明，蜘蛛絲是由高度重復(fù)的結(jié)晶和非晶蛋白序列有序組裝而成。其中，結(jié)晶β-sheets嵌段提供剛性，非晶蛋白嵌段提供柔性，這些組裝單元有序整合在一起，實(shí)現(xiàn)了蛛絲力學(xué)性能的最優(yōu)化。然而，由于蛛絲纖維的特殊分級(jí)結(jié)構(gòu)，制備具有類蛛絲高強(qiáng)高韌性能的纖維材料目前仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  生物礦化，是自然界的一種有機(jī)生命體調(diào)控?zé)o機(jī)礦物形成的智慧過(guò)程，同樣可以構(gòu)建復(fù)雜的結(jié)晶-非晶分級(jí)有序結(jié)構(gòu)材料。例如骨骼，由結(jié)晶的羥基磷灰石與非晶的膠原纖維通過(guò)高度有序的組裝而成。將骨骼與蛛絲對(duì)比發(fā)現(xiàn)，蛛絲是由亞納米尺度的蛋白分子作為基本單元通過(guò)強(qiáng)烈的共價(jià)鍵形成的共聚物，而骨骼中的羥基磷灰石晶體與膠原纖維則不能在亞納米尺度大量地形成類似蛛絲中的化學(xué)鍵作用。因此，蛛絲在宏觀上能表現(xiàn)出更高的強(qiáng)韌性能。盡管已有很多關(guān)于骨仿生有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料的報(bào)道，但尚未有仿生礦化相關(guān)的策略用于設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有類蛛絲力學(xué)性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。 

  受此啟發(fā)，浙江大學(xué)化學(xué)系的唐睿康教授團(tuán)隊(duì)，首次使用無(wú)機(jī)羥基磷灰石和有機(jī)高分子聚乙烯醇分別模仿蛛絲的剛性結(jié)晶和柔性無(wú)定形的蛋白嵌段，提出利用仿生礦化的策略制備具有類骨結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合纖維材料，并使其擁有類蛛絲的超高力學(xué)性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料學(xué)國(guó)際權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials) 上。論文的第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士生余亞?wèn)|，共同通訊作者是浙江大學(xué)化學(xué)系劉昭明博士和唐�？到淌�。

  該研究通過(guò)利用近期無(wú)機(jī)離子寡聚體構(gòu)建的策略(Nature 2019, 574, 394-398; Sci. Adv. 2019, 5, eaaw9569)，以超小磷酸鈣（~1.64 nm）作為無(wú)機(jī)結(jié)晶前驅(qū)體，利用仿生礦化策略，在高分子鏈上進(jìn)行有序結(jié)晶，大規(guī)模制備類蛛絲性能的復(fù)合纖維材料。所得到的復(fù)合纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)到949±38 MPa, 斷裂韌性達(dá)到 296±12 J g^-1，斷裂延伸率達(dá)到80.6%。此外，基于其有序礦化的聚合物鏈結(jié)構(gòu)，這種纖維具有極大的溫度容忍范圍（在-196 ~ 80 ℃之間能保持長(zhǎng)期的柔韌性）和抑制裂紋橫向生長(zhǎng)的能力。

復(fù)合纖維的制備過(guò)程和結(jié)構(gòu)說(shuō)明

復(fù)合纖維的力學(xué)性能

復(fù)合纖維的溫度容忍及其應(yīng)用展示

  基于其優(yōu)異的性能和簡(jiǎn)單的制備方法，該復(fù)合纖維在防彈衣，飛行器阻攔網(wǎng)等特種纖維材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。同時(shí)，該研究也為利用仿生礦化的策略制備具有復(fù)雜分級(jí)有序結(jié)構(gòu)的功能有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料提供了新的思路。

  相關(guān)進(jìn)展 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201908556