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中科院力学所
蜘蛛丝I：超级力学性能
力学园地
2016年01月05日蜘蛛丝I：超级力学性能
spider silk I: super mechanical property
蒋持平
JIANG Chiping
北京航空航天大学固体力学研究所
摘要 介绍蜘蛛丝既有优异的强度、也有优异的延伸率和韧性和适中的刚度，这使得蜘蛛网承受静载和昆虫冲击的能力均超过其它人造和天然材料,无愧超级生物材料的称号。蜘蛛丝的力学性能随应变率的增加而增加，进一步提高了蜘蛛网的抗昆虫冲击能力。蜘蛛丝粘弹性性质和捕捉丝的粘性能有效防止捕获的猎物被弹出。本文第II部分介绍赋予蜘蛛丝的超级力学性能的自组装分级微结构，第III部分介绍蜘蛛网超级抗损伤和超级带缺陷工作能力的力学奥秘。
关键词：蜘蛛丝，超级生物材料，力学性能
1 亿年炼就的超级丝
人类自古就惊叹于蜘蛛结网捕食的神奇。在古典神话名著《西游记》盘丝洞一回，吴承恩以奇幻瑰丽的想象，写出了这种蜘蛛生活习性的神韵和蜘蛛丝的超级性能。在小说家的笔下，蜘蛛妖精的外貌是闭花羞月、超尘脱俗的仙女：
闺心坚似石，兰性喜如春。
娇脸红霞衬，朱唇绛脂匀。
蛾眉横月小，蝉鬓迭云新。
若到花间立，游蜂错认真。
她们的居处情趣盎然：石桥高耸，潺潺流水接长溪；古树森齐，聒聒幽禽鸣远岱。她们洗浴在“滚珠泛玉”的濯垢仙泉。她们使的蛛丝法宝“如雪又亮如雪，似银又光似银”，将天蓬元帅绊得跌得“身麻脚软，头晕眼花，爬也爬不动，只睡在地下呻吟。”
这里，小说家以“蛛丝法宝的神通”形象地让我们领略了蜘蛛丝的超级性能，却仿佛忽略了炼就这种“神通”的严酷环境。固然，蓝天白云之下、绿树繁花之间结网狩猎，逍遥细品送上门的美餐，充满了诗情画意。但自然界也不可避免时有超过网的承受能力的大“猎物”造访，甚至鸟雀穿越，此时网破猎物飞走。更有甚者，在恶劣天气，狂风暴雨裹夹着沙石断枝袭来，蜘蛛网面临瞬间被荡涤殆尽的危险。
还有，产丝不易，必须节约，再节约。科学家曾用扫描电镜测定过一种蜘蛛丝的直径，仅4微米（图1），比人的头发丝还细得多。人们常用千钧一发来形容极度危险，对于蜘蛛丝，不是“一发”，而是“N分之一发”了。正是这种严酷环境下的生存竞争，才炼就了蜘蛛丝的超级性能。
图1 直径4微米的蜘蛛丝[1]
考古表明，至少从侏罗纪时代开始，蜘蛛就已经繁衍生息在我们的蔚蓝色星球了，图2是我国内蒙古发现的1.65亿年前的蜘蛛化石。如果要根据现在对蜘蛛丝研究写盘丝洞后传，应该是亿年蛛丝法宝重放光华，顶尖科学家争相探寻了。
图2 1.65亿年前的蜘蛛化石（新浪网）
2 超级力学性能
是什么引发了当代蜘蛛丝的研究热呢?它的超级力学性能。参见图3，蜘蛛丝分曳丝和横丝。曳丝包括蜘蛛网的径向丝和将网牵引到树枝或其它固定物上的丝，构成网的骨架。曳丝也是蜘蛛的保命丝，它可以悬吊蜘蛛以避免直接坠地。横丝在径向曳丝的骨架上沿螺旋线编织，具有粘性，功能是粘住猎物，防止猎物逃脱。
图3 蜘蛛网的曳丝与横丝[2]
曳丝和横丝的主要力学性能，包括初始弹性模量E、强度极限 b，延伸率（即丝的最大伸长量与原长之比） max、韧性ak列于表1中。为了比较，表1也列出了高强度钢和人造橡胶的力学性能[3]。
表1. 蜘蛛曳丝、横丝、高强度钢和人造橡胶的初始弹性模量E、强度极限 b、延伸率 max和韧性ak
|
材料 |
E/GPa |
b/MPa |
max |
ak/(MJ/m3) |
|
蜘蛛曳丝 |
10 |
1100 |
0.27 |
160 |
|
蜘蛛横丝 |
0.003 |
500 |
2.7 |
150 |
|
高强度钢 |
200 |
1500 |
0.008 |
6 |
|
合成橡胶 |
0.001 |
50 |
8.5 |
100 |
从表1，蜘蛛丝比高强度钢和合成橡胶优异在什么地方呢？见图4A[3]，先考虑蜘蛛丝承受横向静载。设横向力为W，根据静力学平衡条件，丝的内力FN=0.5W/sin 。根据几何关系，