神奇的蜘蛛丝.ppt
神奇的蜘蛛丝,2023/2/4,一、蜘蛛丝的结构及其性能,天然蜘蛛丝是蜘蛛经由其丝腺体分泌的一种天然蛋白生物材料，属于一种生物弹性体纤维，它是自然界产生最好的结构和功能材料之一。科学家发现，蜘蛛丝是由几种氨基酸组成的，这些氨基酸包括：谷氨酸盐、丝氨酸、白氨酸、脯氨酸和酪氨酸等。,2023/2/4,一、蜘蛛丝的结构及其性能,性能1.力学性能好：蜘蛛丝强度大，弹性伸长、韧性及断裂性好；初始模量大、断裂功大，韧性强。2.耐低温：蜘蛛丝在-40时仍能保持其弹性，只有在更低的温度下才变硬3.可降解无污染：蜘蛛丝是由蛋白质组成的，生物可降解的，不会对环境造成污染4.质轻、耐紫外线,2023/2/4,一、蜘蛛丝的结构及其性能,蜘蛛丝是目前已知纤维中最坚韧的一种，其拉伸强度可达同直径钢丝的5倍至10倍，延伸20%27%不断裂，有实验为证，同样粗细的钢丝和蜘蛛丝一起接受拉力实验，扯断蜘蛛丝所需的能量比扯断钢丝的能量足足大上100呗。下表格为蜘蛛丝和几种典型材料的力学性能,2023/2/4,一、蜘蛛丝的结构及其性能,从电子显微镜下观察蜘蛛丝，可发现，蜘蛛丝有点类似悬吊桥樑的大钢索，中间有一根主要的钢索，而周围又以其他较小的钢索缠绕着,外观上又细又柔软的蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于：,1.不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性；2.规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。,2023/2/4,一、蜘蛛丝的结构及其性能,此图为蜘蛛丝蛋白质内的氨基酸构造，分别由图中的硬质-折叠与松散捲曲的-螺旋结构组成，由于-折叠十分的坚硬，加上-螺旋结构富有弹性及松散，使得蜘蛛丝本质坚硬但又富有弹性，加上裂缝在此结构不易延续所以此材料不易破裂,2023/2/4,二、天然蜘蛛丝的特性及其应用,1.天然蜘蛛丝显示出特别的扭转形状记忆效应当蜘蛛丝被扭转到其它准平衡位置时，由于高阻尼效应，它几乎不振荡，并且不需要任何额外的刺激就能以指数方式完全恢复到其初始状态，从而有效防止悬挂在空中的蜘蛛转动摇摆,2023/2/4,二、天然蜘蛛丝的特性及其应用,2.蜘蛛丝吸收振动的能力十分惊人蜘蛛丝是一根极细的螺线，看上去像长长的浸过液体的“弹簧”一样，当“弹簧”被拉长时它会竭力返回原有的长度，但是当它缩短时液体会吸收全部剩余能量，同时使能量转变成热量,蜘蛛丝的显微电镜图,2023/2/4,二、天然蜘蛛丝的特性及其应用,3.天然蜘蛛丝有较大的采水性蜘蛛丝具有像糖葫芦串一样的 结构，水珠在纺锤形的结构上从细的位置向粗的位置运动；纺锤结上还具有纳米丝排列。此原理类似荷叶和水稻的微纳米结构，一是有序排列，一是无序的。同样的物质通过无序排列，会形成表面能差。水滴沿着蜘蛛丝线的方向具有周期的表面能分布和空间构型，于是水滴可以再蜘蛛丝上稳定存在。蜘蛛丝可挂住的最大水柱是蜘蛛体积的5000倍,2023/2/4,二、天然蜘蛛丝的特性及其应用,天然蜘蛛丝具有质轻、超坚韧性、突出形状记忆效应及采水量大等特性，使其在航空航天（如飞机和人造卫星的结构材料、复合材料、宇航服装）、军事（如坦克装甲、防弹衣、降落伞）、建筑（如桥梁和高层建筑的结构材料）、民用（从空气中收集淡水）等领域表现出广阔的应用前景,主要来看看天然蜘蛛丝在医疗上的应用,接下来，,2023/2/4,二、天然蜘蛛丝的特性及其应用,蜘蛛丝是自然界最理想的纤维材料之一，在医学上可用作高性能的生物材料，制成伤口封闭材料和生理组织工程材料，如人工关节、人造肌腱、韧带、假肢、组织修复、神经外科及眼科等手术中的可降解超细伤口缝线等产品，具有韧性好、可降解等特性生命科学杂志：美国马萨诸塞州梅德福塔夫大学的研究人员发现，世界上最结实的天然纤维蜘蛛丝能被用于世界上最常见的膝盖损伤疾病关节前十字韧带的韧带再生支架。显示了人造腱或韧带再生的潜在医学用途。,我终于要复出了！,2023/2/4,三、天然蜘蛛丝仿生学及其仿生材料,由于蜘蛛属肉食性动物不喜欢群居,当几只蜘蛛被放在一起时,它们之间往往会相互撕咬,所以难以像养家蚕那样大量饲养蜘蛛;而且,蜘蛛本身存在很多丝腺器,不同腺器产生的丝性能不同,很难收集性能单一的丝19.此外,天然蜘蛛丝还难以直接加工成其它特定形状以供不同用途所需.由于以上原因,天然蜘蛛丝自身很难批量生产,其应用范围也受到了很大限制,因此需要寻求新的方法和途径,以大量获得具有天然蜘蛛丝相似结构和功能的新材料.因此利用仿生学原理,在认识天然蜘蛛丝结构和功能的基础上,设计、制备天然蜘蛛丝仿生材料,具有重大的科学意义和应用价值.,2023/2/4,三、天然蜘蛛丝仿生学及其仿生材料,目前制备天然蜘蛛丝仿生材料主要有以下五种1.蛋白基因仿生生物表达法2.链段及二次结构仿生化学合成法3.微观结构仿生物理复合法4.多层次结构仿生层层组装法5.金属元素仿生渗透注入法,这里不做一一介绍了，有兴趣的同学可以参考刘全永，江雷.仿生学与天然蜘蛛仿生材料J.高等学校化学学报.2010.6（31）:10651071,2023/2/4,三、天然蜘蛛丝仿生学及其仿生材料,仿生学及仿生材料是一门涉及多领域的交叉前沿学科,采用仿生学原理,设计与天然生物材料具有同样完美结构和功能的仿生材料,是许多科学家共同期待的目标.天然蜘蛛丝具有高比强度、优异弹性和坚韧性及其出色的综合性能,是其它纤维不可相比的.受蜘蛛丝启发,天然蜘蛛丝仿生材料的研究得到了快速发展,同时也展示出许多新颖的天然蜘蛛丝仿生设计方法.同时,天然蜘蛛丝仿生材料的设计理念及相关科学也对人们提出了更高要求。,2023/2/4,
