給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后吐出蠶絲可用于可穿戴設(shè)備

給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后，其吐出的蠶絲韌性增加了一倍，碳化蠶絲的電導(dǎo)率高出10倍。這種“超強(qiáng)”蠶絲可應(yīng)用在耐久防護(hù)織物、可生物降解的醫(yī)學(xué)植入物及環(huán)保型可穿戴電子設(shè)備中。每個(gè)愛(ài)自然的孩子，可能都有過(guò)養(yǎng)蠶的經(jīng)歷。嫩綠的桑葉，白胖的蠶寶寶，結(jié)在掃把上花生大小的蠶繭，成為了兒時(shí)記憶里快樂(lè)的片段。最近，一則來(lái)自《科學(xué)美國(guó)人》雜志網(wǎng)站的報(bào)道，讓蠶寶寶成為了話題的“主角”。

圖為實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖?？蒲腥藛T將含有碳納米管或者石墨烯的水溶液噴涂在桑葉上，用于喂食蠶蟲(chóng)，最終得到復(fù)合了碳納米管或者石墨烯的蠶繭。

報(bào)道稱(chēng)，清華大學(xué)研究人員給蠶寶寶喂食石墨烯或者單壁碳納米管后，其吐出的蠶絲更加結(jié)實(shí)強(qiáng)韌。這種含有碳納米材料的蠶絲可應(yīng)用在耐久防護(hù)織物、可生物降解的醫(yī)學(xué)植入物及環(huán)保型可穿戴電子設(shè)備中。

被高科技“加持”的蠶寶寶吐出的“超強(qiáng)”蠶絲，或許只有蜘蛛俠噴射的蛛絲能媲美。那么，好奇心帶來(lái)了一串問(wèn)題：加了石墨烯的桑葉，蠶寶寶們吃得慣嗎？“超強(qiáng)”蠶絲有多強(qiáng)？用它做成的可穿戴電子設(shè)備啥時(shí)候面世？

誤打誤撞的“超強(qiáng)”蠶絲發(fā)現(xiàn)之旅

碳納米管或石墨烯，聽(tīng)上去都不像是正經(jīng)食物。怎么會(huì)想起給蠶寶寶喂食一些和桑葉八竿子打不著的東西呢？清華大學(xué)化學(xué)系副教授張瑩瑩介紹，這并非她所在團(tuán)隊(duì)的“首創(chuàng)”，為了讓蠶絲“天生”不一樣，韓國(guó)科學(xué)家、中國(guó)的科學(xué)家，此前都曾開(kāi)展過(guò)類(lèi)似實(shí)驗(yàn)。

研發(fā)適用于可穿戴電子設(shè)備的材料，絲綢作為一種親膚的天然材料，是做可穿戴電子設(shè)備的首選。作為可穿戴電子設(shè)備的材料，不僅對(duì)強(qiáng)度、韌性有要求，同時(shí)還要具備導(dǎo)電的性能。而蠶絲本身是不導(dǎo)電的，需要通過(guò)簡(jiǎn)單高溫?zé)崽幚韺⑺D(zhuǎn)化為高導(dǎo)電性的碳化絲綢。

然而，在高溫碳化的過(guò)程里，絲綢會(huì)變硬發(fā)脆，柔韌性有所降低。能不能通過(guò)給蠶喂食導(dǎo)電物質(zhì)，讓它吐出的絲自帶導(dǎo)電功能呢？試著給蠶幼蟲(chóng)所食桑葉中噴淋了含有碳納米管或石墨烯的水溶液，然后在幼蟲(chóng)吐絲結(jié)繭后收集蠶絲。

考慮到蠶寶寶的口味和腸胃適應(yīng)能力，做了2種配方，分別是濃度為1.0%和0.2%的水溶液，從蠶的三齡一直添加到五齡階段。如同人的年齡一樣，蠶的生長(zhǎng)也有蠶齡，第一次蛻皮稱(chēng)一齡，以此類(lèi)推，到五齡后，蠶就進(jìn)入結(jié)繭階段。

濃度1.0%的水溶液或許是太重口味了，被喂食此濃度溶液的蠶寶寶會(huì)有一部分不幸早夭。但令團(tuán)隊(duì)成員欣慰的是，喂食濃度0.2%溶液的蠶寶寶長(zhǎng)得又白又胖，看不出來(lái)有任何不適。經(jīng)過(guò)20來(lái)天的精心喂養(yǎng)，終于結(jié)出了圓潤(rùn)的繭子。

很快，“開(kāi)獎(jiǎng)”的時(shí)候到了。令人沮喪的是，收集到的蠶絲并沒(méi)有自帶導(dǎo)電功能。然而，驚喜在后頭。研究人員發(fā)現(xiàn)，它抵抗外力破壞的韌性增加了一倍，承受的應(yīng)力高出至少50%。

既然不能導(dǎo)電，還是免不了要碳化。研究團(tuán)隊(duì)將這種絲在惰性氣體中加熱到1050攝氏度，研究碳化后的蠶絲的電導(dǎo)率和微觀結(jié)構(gòu)。這種碳化蠶絲比普通碳化蠶絲的電導(dǎo)率高出10倍左右，并且拉曼光譜和電子顯微鏡成像表明，含有碳納米材料的碳化蠶絲的石墨化程度更高。

“通俗一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，我們得到的天然蠶絲盡管不能導(dǎo)電，但是它的強(qiáng)度和韌性確顯著提高了。而且碳化后的導(dǎo)電性能要優(yōu)于普通蠶絲碳化后的表現(xiàn)。”張瑩瑩解釋道。

期待多學(xué)科交叉探明內(nèi)在機(jī)理

為什么吃了碳納米管和石墨烯的蠶，會(huì)吐出不一樣的絲呢？吃進(jìn)去的配方溶液在蠶體內(nèi)是如何吸收轉(zhuǎn)化的？溶液的濃度和絲的力學(xué)性能是怎樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系？

對(duì)此，他們的研究表明，較低濃度的碳納米管或者石墨烯可阻止在蠶絲成型過(guò)程中絲素蛋白分子中的無(wú)規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)向 -折疊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，從而使所獲得蠶絲具有更高的延展性及韌性。但是，如果碳納米材料的含量過(guò)高，會(huì)造成結(jié)塊等缺陷，使蠶絲的力學(xué)性能降低，用1.0%濃度所得到的蠶絲的力學(xué)性能比普通蠶絲有下降。

碳納米管和石墨烯在蠶體內(nèi)的轉(zhuǎn)移是一個(gè)很復(fù)雜的生理過(guò)程，具體的機(jī)制和影響因素我們還不清楚，希望有生物學(xué)背景的團(tuán)隊(duì)能參與進(jìn)來(lái)，幫助揭開(kāi)謎底，在未來(lái)能做出力學(xué)和導(dǎo)電性能俱佳的天然蠶絲。

事實(shí)上，受實(shí)驗(yàn)條件限制。一方面，養(yǎng)蠶是一個(gè)比較繁瑣耗時(shí)的過(guò)程，另外，北方氣溫相對(duì)太低，一年里大部分時(shí)間不太適宜蠶的生存。

在第一輪實(shí)驗(yàn)中，我們只進(jìn)行了兩種濃度溶液的喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，未來(lái)還需要做更多的嘗試，尋找更佳的濃度值，以獲得具有更好的力學(xué)性能的蠶絲。

在溶液濃度之外，喂養(yǎng)“特殊食譜”的起始時(shí)間是另一個(gè)值得探索的問(wèn)題。蠶從3齡到5齡這20多天的時(shí)間里，到底什么階段開(kāi)始喂養(yǎng)效果最佳，也有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)去求證?！拔覀兞私獾?，蠶的絲腺的發(fā)育是從5齡才開(kāi)始的，因此，有可能3齡到4齡階段的喂養(yǎng)對(duì)最后產(chǎn)出的蠶絲并沒(méi)有影響。如果這樣的話，我們就可以推遲使用 特殊食譜 的時(shí)間。”張瑩瑩補(bǔ)充道。

據(jù)悉，目前已經(jīng)有對(duì)這項(xiàng)技術(shù)感興趣的絲綢公司表示愿意提供廠房、批量的蠶寶寶和技術(shù)人員，以合作開(kāi)展更為深入和規(guī)?；膶?shí)驗(yàn)。

做離市場(chǎng)化最近的可穿戴器件

盡管給蠶喂食特定濃度石墨烯或碳納米管獲取“超強(qiáng)”蠶絲的研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，但如果將來(lái)成功獲得導(dǎo)電的天然蠶絲，將具有一系列重要的應(yīng)用價(jià)值。她介紹說(shuō)，國(guó)內(nèi)外其他科學(xué)家也曾開(kāi)展過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。例如，上海東華大學(xué)沈青教授曾在2014年，給蠶喂食了直徑為30納米左右的多壁碳納米管，制造出了新型絲纖維；韓國(guó)科學(xué)家曾給蠶喂食量子點(diǎn)，獲得了彩色的蠶繭等。

此外，除了上述工作，研究人員還以市面上的普通蠶絲布為原料，發(fā)展了高溫碳化技術(shù)，可制成高靈敏度、寬應(yīng)變檢測(cè)范圍的柔性可穿戴設(shè)備傳感器。這種傳感器可通過(guò)直接貼于人體皮膚或負(fù)載在衣物、配飾上實(shí)現(xiàn)人體全尺度運(yùn)動(dòng)的可穿戴式檢測(cè)。

“這種傳感器對(duì)如跑步、跳躍等大尺度運(yùn)動(dòng)以及脈搏、微表情、呼吸、聲帶發(fā)聲等小尺度運(yùn)動(dòng)，都能進(jìn)行檢測(cè)，還可與信號(hào)處理及命令生成系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的捕捉與重建。這項(xiàng)技術(shù)在人體生理信號(hào)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)追蹤與肢體康復(fù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互等方面具有很大的應(yīng)用潛力。”張瑩瑩進(jìn)一步舉例道。

用蠶絲做原料，會(huì)不會(huì)增加可穿戴電子設(shè)備的成本？我國(guó)是蠶絲產(chǎn)量最大的國(guó)家，蠶絲布料的成本一平方米僅三五十塊錢(qián)，而每平方米蠶絲布可制成大量的柔性傳感器；將來(lái)如果給蠶喂食獲得導(dǎo)電蠶絲的實(shí)驗(yàn)成功，即使算上給蠶喂食石墨烯或碳納米管的投入，成本也是可以接受的。

由蠶絲做成的可穿戴電子設(shè)備，聽(tīng)上去很炫酷。不久的將來(lái)，你或許可以親身一試。