蜘蛛丝的韧性和结实度 (蜘蛛丝真实性能)

小小一只蜘蛛,为什么能吐出比钢铁强度还大的蜘蛛丝?既然蜘蛛丝强度这么高,为什么不对其普及应用呢?

蜘蛛丝的韧性和结实度,蜘蛛丝真实性能

也许你知道蜘蛛丝的韧性十足,但并不真正清楚它的强度能到达何种地步!

打个比方,我们都知道钢是世界上硬度和强度都很高的一种金属物质,而如果你对金属有一定了解,肯定很清楚钢的强度一般能达到0.4到2.5吉帕,韧性却只有每克6.25焦耳。

而与钢相比,柔软的蜘蛛丝看似脆弱无比,但它的强度却能达到4.5吉帕以上,几乎相当于钢强度的两倍。

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“强度”是指一个物质每平方毫米可以承受的最大拉力。

这道拉力如果超过该物质所能承受的最大强度,那物质的结构本身就会发生断裂,因此强度越大的物质,一般来说都存在伸缩性不足,也就是韧性不足的问题。

比如钢铁,再比如强度更大的钻石,它们非常坚固,却没有很高的韧度吸收能量,这意味着这些物质一旦遭受足够大的冲击力,仍然容易断裂。

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而蛛丝便特别在这里,它不止强度有钢的2倍之多,同时还具有超高韧性的特质,其伸缩性能达到150焦耳每克,差不多是钢韧性的10倍,两个特质相加足见蜘蛛丝在耐用性能上的超高优势。

也就是说如果我们将同样重量的钢丝和蛛丝,分别制成两根相同制式的绳子,蛛丝绳绝对要比钢丝绳耐用的多,且更不容易发生断裂。

无论强度还是韧性,蜘蛛丝的数值都比钢丝要高得多,那蜘蛛丝为何具有这么高的强度和韧性呢?

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首先和它的成分有关,蜘蛛丝产出于蜘蛛的下腹部,在那个位置内部有三对凸起状结构,它们就是蛛丝的纺器,纺器通过连接的纺管,从蜘蛛的丝腺提取分泌出的液体蛋白,然后将这些蛋白拉成丝状吐出体外。

在蛋白接触到外界空气的瞬间,就会迅速凝固,形成强度、黏度和韧性都非常高的固体蛛丝,这些蛛丝依附在外界物质上,由蜘蛛进行进一步编织,便成为了捕杀各种昆虫的利器“蛛网”。

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而蛛丝之所以拥有超高的强度和韧性,主要原因就仰赖于蜘蛛丝腺里所分泌的蛛丝原料“液体骨蛋白”

这种蛋白由两种特殊的分子链构成,一个是纤维素,一个是胶原。

纤维素的存在为蛛丝提供了超高的硬性和强度,而柔软的胶原蛋白则是其具有优秀韧性和弹性的主要原因。

蜘蛛体内生来就知道该如何呈有效比例去融合两种物质,使之聚合成一种既具备优秀伸缩性,又强度了得的复合材料,这便是蛛丝在成分上的特殊性。

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当然,蛛丝的强度及韧性如此之高,还与它的结构有关。

在我们肉眼看来,蜘蛛吐出的每一根蛛丝都是细微柔软的,好像轻易就能拉断,只有当它们被编织成网后才具备了超高强度,但事实并非如此。

早在几十年前,研究蜘蛛的生物学家就发现,蜘蛛所吐出的蛛丝结构并不是单单一根,如果用显微镜放大十数倍去观察,会惊奇地发现每一根蛛丝其实都是由2500多根纳米线束所组成。

这些线束普遍呈平行排列,就像一条微观版的电缆,让人惊讶的同时,也打破了曾经生物学界认为蛛丝是一种单质体的观点,这独特而精密的纳米结构,也是蜘蛛丝强度如此之高的一大因素。

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一根蜘蛛丝,却拥有独一无二的复合成分,纳米级别的组成结构,那这么好的一种材料,我们为什么不将它像蚕丝那样生产利用呢?

其实,世界上并不是没人利用蛛丝纺织制衣,早在2004年,美国自然博物馆就展出过一件完全用蜘蛛丝编织而成“黄金蛛丝披肩”。

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之所以叫这名字,是因为这件披肩确实通体金黄,它采用非常稀有的“金丝蜘蛛”的蛛丝纺织而成,而这种蜘蛛之所以稀有,是因为它完全无法人工饲养和繁殖。

正因如此,设计师为了完成这件全蛛丝披肩,不惜耗费了整整5年光景,派多人团队长时间去往野外进行蛛丝的采集工作,直到最终完成120万条黄金蛛丝的采集,投入整整30万英镑,才成功制作出了这么一件“黄金蛛丝披肩”。

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该披肩确实不负蜘蛛盛名,强度极高、韧性十足、弹力了得,且拥有时下任何一种其他丝织品无法匹敌的拉伸性,其色彩和光泽更是耀眼至极!

但可惜的是,直到如今人类仍然无法完全掌握蜘蛛养殖和蛛丝生产的技术,真像“黄金披肩”的设计师一样全程通过野外开采,则会面临更多的现实问题。

一是成本极高,一般厂商根本无法承受,也不可能批量生产,二是涉及到动物保护问题,如果大规模野外开采,必然极大程度影响生态平衡,甚至导致物种灭绝的可怕后果。

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对此人类也不是没有尝试过换一种角度解决问题,比如尝试研发人造蛛丝,或利用改造DNA的方式,把蚕的基因替换成蜘蛛的基因片段,从而制造出了一种可以生产蛛丝的蚕,但这些研究至今仍然因为各种技术瓶颈,没能实现大规模生产。

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总而言之,无论是从韧性、强度和美观性等方方面面,蜘蛛丝的可利用价值都确实远高于如今市面上用做纺织的一众生物原料,相信在不久的将来,人类总会突破瓶颈,真正实现利用蛛丝纺织的愿景,

但在已经有了如此多丝织原料的当今,我们真的有必要再把目光投向那难能可贵的蛛丝吗?对此你又怎么看呢?