“硬核”蚕丝！从蚕宝宝吃碳纳米管开始…

原创 一个科普小组 科普中国

蚕是一种以桑叶为食的昆虫，吐丝是它一生的主要“工作”。蚕丝经常出现在我们生活的每个角落，因为它柔软，生物相容性好。

2024 年 10 月 14 日本，中国科学家在世界著名期刊《先进材料》上发表了一项关于“在桑叶上喷洒碳纳米管喂蚕”的研究工作，将蚕丝的抗拉强度从 1.02GPa 提升至 1.18GPa，碳纳米管对蚕丝力学性能的提升已经成功完成。

所以，吃了碳纳米管的蚕宝宝，它们吐出的蚕丝，有什么特别的用途呢？

咱们一起来看看吧！

春蚕到死丝方尽？

蚕丝原来是这样的！

大多数人年轻的时候都有养蚕宝宝的经历。从细芝麻颗粒大小的蚕卵到质量膨胀几千倍的蚕茧，只需要二三十天，整个过程只需要喂桑叶。蚕的一生经历了卵、幼虫、蛹、若虫等阶段。，吐丝的过程发生在幼虫到蛹的过程中。

蚕丝是一种自我保护的方式。蚕蛹发育阶段的蚕不再吃东西，行动能力减弱，容易受到天敌的伤害。蚕丝组成的蚕茧为蚕提供了一个“安全的房子”，蚕可以在其中安全发育。

蚕吐丝也是蚕自我“解毒”的过程。蚕在幼虫阶段会吃很多桑叶，桑叶本身含有多种氨基酸，在蚕体内积累过多会导致蚕中毒。因此，蚕吐丝的过程也是排出体内过多氨基酸的过程。

由于丝绸可以排出多余的氨基酸，丝绸必须由蛋白质组成。丝素和丝胶是丝绸含量较高的两种蛋白质。丝素是丝纤维的主要结构材料。丝胶包裹在丝素之外，具有保护丝素的作用。此外，丝绸通常含有少量的蜡、脂肪和微量元素。

丝绸是一种天然长纤维，其平均长度可达 1000 米饭，可直接用于纺织。丝绸还具有纤细、柔软、舒适等特点，被列为高档纺织材料，更被称为“纤维皇后”。

丝绸已经广泛应用于绸缎等织物，但由于其机械性能差，在运动器材、航天织物等高端领域的应用仍然“无能为力”。

什么是碳纳米管？

居然可以喂蚕宝宝！

碳纳米管（CNTs）它是一种由碳原子组成的新型纳米材料，具有独特的空心纳米结构，可以看作是由石墨烯卷曲而成的管状结构。碳纳米管尺寸小，直径从几纳米到几百纳米，是人类头发的几十万分之一。

在电气性能方面，碳纳米管具有优异的导电性能，可用于开发新型电子设备，如场效应晶体管。（FETs）还有超级电容器。高电子迁移率和热导率也使其在电子产品排热方面具有潜在的实用价值。

碳纳米管具有优异的力学性能，强度和韧性极高，抗拉强度是钢材的几倍，密度很低。这使得碳纳米管在复合材料领域有很大的发展前景，尤其是在航天工程和汽车制造领域，用于制造更轻、更强的材料。

蚕宝宝就是这样吃碳纳米管的！

蚕食主要以桑叶为食，对碳纳米管这种“新鲜”食品，蚕宝宝喜欢吃吗？

研究者将直径小于 10 长度低于纳米 15 微米碳纳米管分散在水中。为了避免碳纳米管的“团聚”影响蚕的“食欲”，研究人员使用木质素磺酸钙(表面活性剂)来提高碳纳米管在水中的分散均匀性，制备均匀的溶液，喷洒在新鲜的桑叶上，供蚕宝宝享用。

另外，给蚕宝宝喂碳纳米管的时机也很重要。研究人员从蚕五岁幼虫的第二天开始，给蚕宝宝喂有碳纳米管分散液的桑叶。由于现阶段蚕开始在丝腺中获得丝浆，碳纳米管可以更好地融入丝浆中，在这个阶段，蚕对饮食变化有很强的适应性。

为了验证碳纳米管能否成功“融入”丝绸，研究人员将蚕喂入碳纳米管后吐出的丝绸打开并清洗干净，然后溶解，并使用拉曼光谱和高分辨率透射镜来表征过滤的残留物。通过识别碳纳米管的特征峰及其轮廓特征，验证了碳纳米管已经成功混入丝绸中。

通过比较蚕丝的速度不同，喂食碳纳米管的蚕吐出的丝在不同的螺丝速度下 120 mm抗拉强度可达到/每秒的抗拉强度。 1.18GPa，相当于用一根头发吊起一部手机，比不喂碳纳米管的对照组要高。

什么是强丝纤维的应用？

这种“增强丝绸”具有高强度的特点，有望在高端领域应用天然高强度纤维。在耐久性保护织物领域，这种丝绸可以用来制造更轻更强的保护设备；在生物医学领域，也可以作为可生物降解的医学植入物，减少患者对传统金属植入物的依赖。

另外，尽管碳纳米管中添加的丝绸本身可能没有导电性，但高温处理过的丝绸导电性能会明显提高。

相关研究表明，经过1000多摄氏度的高温处理，将碳纳米管和石墨烯共同添加的丝绸提高丝绸的电导率。 10 倍，为其在环保可穿戴电子设备等领域的应用提供了可能性。

强丝纤维可以大规模生产吗？

蚕从幼虫到吐丝大约需要30天，生产的丝数与养殖的规模有关。蚕是一种植食性昆虫。与蜘蛛不同的是，蚕不会相互食用，可以通过科学管理和大规模养殖快速养蚕。

据统计，中国每年蚕茧产量约70万吨，生丝产量约10万吨，占全球蚕丝产量的十多万吨。 70% 上下。在养蚕技术日益成熟的今天，蚕丝产量仍在逐年增加。

虽然碳纳米管喂蚕的技术还处于起步阶段，但随着养殖技术的创新和发展，有望与现有的“增强蚕丝”业务规模相匹配。换句话说，离我们实现碳纳米管混合蚕丝的应用不远了。

结语

自然界中有很多天然原料，不仅为我们的日常生活提供了许多便利，而且在科技发展中也发挥了重要作用。

未来，我们将对这些材料有更深入的了解，相关的应用技术也将不断提高。它将在日常生活中发挥意想不到的重要作用，帮助我们构建一个更环保、更高效、更可持续的生长环境。

参考文献

[1]Lu H J , Jian M Q, Liang X P, et al. Strong Silkworm Silk Fibers through CNT-Feeding and Forced Reeling[J]. Advanced Materials, 2024.

[2]Wang Q, Wang C, Zhang M, et al. Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers[J]. Nano Letters, 2016.

[3]李瑞、沈卫德、田小平等等. 对大规模养蚕综合技术体系及其经济效果的研究[J].蚕业科学, 2006.

[4]诸星静次郎.蚕的发育生理[M].1981年农业出版社.

[5]张威.蚕吐平面丝饲养技术[J].农家顾问, 1998.

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作者|一个科普小组

制片人|中国科普博览会

题目：“硬核”蚕丝！从蚕宝宝吃碳纳米管开始……”

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