關(guān)于作者
中科院力學(xué)所
蜘蛛絲I：超級力學(xué)性能
力學(xué)園地
2016年01月05日蜘蛛絲I：超級力學(xué)性能
spider silk I: super mechanical property
蔣持平
JIANG Chiping
北京航空航天大學(xué)固體力學(xué)研究所
摘要 介紹蜘蛛絲既有優(yōu)異的強度、也有優(yōu)異的延伸率和韌性和適中的剛度，這使得蜘蛛網(wǎng)承受靜載和昆蟲沖擊的能力均超過其它人造和天然材料,無愧超級生物材料的稱號。蜘蛛絲的力學(xué)性能隨應(yīng)變率的增加而增加，進一步提高了蜘蛛網(wǎng)的抗昆蟲沖擊能力。蜘蛛絲粘彈性性質(zhì)和捕捉絲的粘性能有效防止捕獲的獵物被彈出。本文第II部分介紹賦予蜘蛛絲的超級力學(xué)性能的自組裝分級微結(jié)構(gòu)，第III部分介紹蜘蛛網(wǎng)超級抗損傷和超級帶缺陷工作能力的力學(xué)奧秘。
關(guān)鍵詞：蜘蛛絲，超級生物材料，力學(xué)性能
1 億年煉就的超級絲
人類自古就驚嘆于蜘蛛結(jié)網(wǎng)捕食的神奇。在古典神話名著《西游記》盤絲洞一回，吳承恩以奇幻瑰麗的想象，寫出了這種蜘蛛生活習(xí)性的神韻和蜘蛛絲的超級性能。在小說家的筆下，蜘蛛妖精的外貌是閉花羞月、超塵脫俗的仙女：
閨心堅似石，蘭性喜如春。
嬌臉紅霞襯，朱唇絳脂勻。
蛾眉橫月小，蟬鬢迭云新。
若到花間立，游蜂錯認真。
她們的居處情趣盎然：石橋高聳，潺潺流水接長溪；古樹森齊，聒聒幽禽鳴遠岱。她們洗浴在“滾珠泛玉”的濯垢仙泉。她們使的蛛絲法寶“如雪又亮如雪，似銀又光似銀”，將天蓬元帥絆得跌得“身麻腳軟，頭暈眼花，爬也爬不動，只睡在地下呻吟。”
這里，小說家以“蛛絲法寶的神通”形象地讓我們領(lǐng)略了蜘蛛絲的超級性能，卻仿佛忽略了煉就這種“神通”的嚴酷環(huán)境。固然，藍天白云之下、綠樹繁花之間結(jié)網(wǎng)狩獵，逍遙細品送上門的美餐，充滿了詩情畫意。但自然界也不可避免時有超過網(wǎng)的承受能力的大“獵物”造訪，甚至鳥雀穿越，此時網(wǎng)破獵物飛走。更有甚者，在惡劣天氣，狂風(fēng)暴雨裹夾著沙石斷枝襲來，蜘蛛網(wǎng)面臨瞬間被蕩滌殆盡的危險。
還有，產(chǎn)絲不易，必須節(jié)約，再節(jié)約?？茖W(xué)家曾用掃描電鏡測定過一種蜘蛛絲的直徑，僅4微米（圖1），比人的頭發(fā)絲還細得多。人們常用千鈞一發(fā)來形容極度危險，對于蜘蛛絲，不是“一發(fā)”，而是“N分之一發(fā)”了。正是這種嚴酷環(huán)境下的生存競爭，才煉就了蜘蛛絲的超級性能。
圖1 直徑4微米的蜘蛛絲[1]
考古表明，至少從侏羅紀時代開始，蜘蛛就已經(jīng)繁衍生息在我們的蔚藍色星球了，圖2是我國內(nèi)蒙古發(fā)現(xiàn)的1.65億年前的蜘蛛化石。如果要根據(jù)現(xiàn)在對蜘蛛絲研究寫盤絲洞后傳，應(yīng)該是億年蛛絲法寶重放光華，頂尖科學(xué)家爭相探尋了。
圖2 1.65億年前的蜘蛛化石（新浪網(wǎng)）
2 超級力學(xué)性能
是什么引發(fā)了當代蜘蛛絲的研究熱呢?它的超級力學(xué)性能。參見圖3，蜘蛛絲分曳絲和橫絲。曳絲包括蜘蛛網(wǎng)的徑向絲和將網(wǎng)牽引到樹枝或其它固定物上的絲，構(gòu)成網(wǎng)的骨架。曳絲也是蜘蛛的保命絲，它可以懸吊蜘蛛以避免直接墜地。橫絲在徑向曳絲的骨架上沿螺旋線編織，具有粘性，功能是粘住獵物，防止獵物逃脫。
圖3 蜘蛛網(wǎng)的曳絲與橫絲[2]
曳絲和橫絲的主要力學(xué)性能，包括初始彈性模量E、強度極限 b，延伸率（即絲的最大伸長量與原長之比） max、韌性ak列于表1中。為了比較，表1也列出了高強度鋼和人造橡膠的力學(xué)性能[3]。
表1. 蜘蛛曳絲、橫絲、高強度鋼和人造橡膠的初始彈性模量E、強度極限 b、延伸率 max和韌性ak
|
材料 |
E/GPa |
b/MPa |
max |
ak/(MJ/m3) |
|
蜘蛛曳絲 |
10 |
1100 |
0.27 |
160 |
|
蜘蛛橫絲 |
0.003 |
500 |
2.7 |
150 |
|
高強度鋼 |
200 |
1500 |
0.008 |
6 |
|
合成橡膠 |
0.001 |
50 |
8.5 |
100 |
從表1，蜘蛛絲比高強度鋼和合成橡膠優(yōu)異在什么地方呢？見圖4A[3]，先考慮蜘蛛絲承受橫向靜載。設(shè)橫向力為W，根據(jù)靜力學(xué)平衡條件，絲的內(nèi)力FN=0.5W/sin 。根據(jù)幾何關(guān)系，