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浙理工楊斌Mater. Horiz.封底：強度高達1.45 GPa的桑蠶絲實現(xiàn)快速、連續(xù)化、多模式人工抽絲及其在致動器領(lǐng)域的應(yīng)用
2023-08-03  來源：高分子科技

  隨著蠶絲材料在生物工程、柔性傳感器、光學(xué)存儲、柔性電子器件和軟質(zhì)致動器等方面的應(yīng)用被逐漸開發(fā)，人們逐漸意識到蠶絲不僅僅是一個中華文明的符號，也不僅僅是一個奢侈品服裝面料的代名詞，其在高新技術(shù)領(lǐng)域也有一席之地。然而，天然蠶絲在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能上的差異性，極大地限制了這些高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。因此，科學(xué)家一直在探尋形貌更規(guī)整，性能更優(yōu)良的蠶絲材料。目前，人工強制抽絲技術(shù)已被證明是獲得高性能蠶絲的理想方法。然而，被迫改變吐絲行為后的桑蠶在強制抽絲時表現(xiàn)出劇烈的抵抗行為，抽絲速度難以提高、效率低，容易造成斷絲且蠶絲與蠶絲之間性能差異較大。因此，如何緩解或消除抽絲過程中桑蠶的抵抗行為并獲得性能優(yōu)良的蠶絲仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。


  近期，浙江理工大學(xué)楊斌教授課題組基于一種多模式、快速離心抽絲策略，制備出了高強、高模、高韌蠶絲（CRS）。受蜘蛛及蓑蛾等懸空吐絲行為的啟發(fā)，該團隊利用具有不同角度的圓錐斜面使吐絲桑蠶獲得近似懸空狀態(tài)并進行抽絲；同時利用桑蠶在結(jié)繭過程中的間歇吐絲現(xiàn)象，進行間斷抽絲，即連續(xù)抽取一定時間后，停止抽絲操作，使桑蠶得到充足的時間以適應(yīng)人工抽絲過程；最后通過轉(zhuǎn)動圓錐載體和增加吐絲桑蠶的數(shù)量以同步制備高強蠶絲紗線（CRSY）。該策略獲得的CRS的斷裂強度高達1.45 GPa，是天然蠶絲的三倍，完全媲美蜘蛛絲；其韌度為121.07±35.31 MJ m-3，楊氏模量為27.72±12.61 GPa。這是迄今為止報道的力學(xué)性能最好的桑蠶絲材料之一。同時，CRS還具有快速扭轉(zhuǎn)恢復(fù)性能，且多次循環(huán)后仍能保持良好的恢復(fù)效果，是優(yōu)秀的微致動器材料。此外，基于CRSY的氣動軟質(zhì)致動器可執(zhí)行預(yù)設(shè)動作，包括：收縮、伸長和彎曲，且能夠承擔(dān)極高的載荷，充分展示了CRSY在人工肌肉、軟質(zhì)致動器及軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。有趣的是，已有報道指出天然蛋白質(zhì)纖維在低溫環(huán)境（液氮）中仍能保持良好的力學(xué)特性，結(jié)合該工作中CRS的高強高模高韌特征，其有望在充滿未知物體撞擊的深海或太空環(huán)境中實現(xiàn)軟體機器人的信號傳遞和任務(wù)執(zhí)行。總之，這種多模式的快速離心抽絲策略開辟了一種全新的高性能蠶絲生產(chǎn)方法，為大規(guī)模、連續(xù)化制備高性能動物絲材料（柞蠶、蜘蛛及蓑蛾等）提供了有力支持。


（封底圖片） 


圖1：離心抽絲設(shè)備示意圖及三種抽絲工藝過程 


圖2：離心拉伸蠶絲的力學(xué)特征 


圖3：離心拉伸蠶絲紗線的一步法制備及其斷裂強度


圖4：離心拉伸蠶絲的二級結(jié)構(gòu)變化


圖5：離心拉伸蠶絲紗線在氣動致動器中的應(yīng)用


  該工作以“High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators”為題發(fā)表在國際權(quán)威材料期刊《Materials Horizons》上，并被選為當(dāng)期封底文章。文章第一作者是浙江理工大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院（國際絲綢學(xué)院）博士生侯騰，通訊作者為楊斌教授。該工作得到了浙江省自然科學(xué)基金等項目的資金支持。浙江大學(xué)國際聯(lián)合學(xué)院歐陽宏偉教授和博士后王小召對該研究提供了幫助和指導(dǎo)。該工作是楊斌教授團隊近年來在功能蠶絲材料的相關(guān)研究中取得的進展之一，相關(guān)設(shè)備已申請中國發(fā)明專利并授權(quán)（專利號：ZL 2019 1 0998971.2）。


  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/MH/D3MH00494E


課題組簡介


  楊斌，教授/博導(dǎo)，浙江理工大學(xué)，紡織科學(xué)與工程學(xué)院（國際絲綢學(xué)院），微納米纖維加工創(chuàng)新團隊負責(zé)人。主要從事超細纖維制備、太赫茲光譜、功能蠶絲材料、智能及功能紡織品等方面的研究。主持、參與國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等多項課題。以通訊作者身份在Materials Horizons、International Journal of Biological Macromolecules、Food Chemistry、Analytical Chemistry、Polymer、Analyst、Journal of Hazardous Materials、Separation and Purification Technology、Materials & Design、Carbohydrate Polymers等期刊發(fā)表SCI論文40余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項。電子郵箱：yangbin5959@zstu.edu.cn


  下載：High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators

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