1. 1. 蜘蛛丝的分级微结构

蜘蛛的小小吐丝口的结构并不简单，里面有数百根细管，蜘蛛通过细管吐丝，丝一团团首尾相连成为丝原纤维。图1a的蜘蛛曵丝才4微米左右，却包含了数百根丝原纤维。图1b是图1a的局部放大，平行虚线标出了一根丝原纤维，圆圈则是一根吐丝管吐的一团丝^[2]。更神奇的是，丝原纤维内部还有根据跨尺度力学原理设计的精巧分级微结构。

图1 蜘蛛曳丝和内部的原纤维^[2]

现在让我们由蜘蛛曳丝的跨尺度路线图^[3]（见图2）导引，开始从宏观向微观尺度的旅行。
旅行出发地是图2a的蜘蛛网，宏观入口位于图2b的一段曵丝，在电镜下测得它的直径仅4微米左右，比人类头发细得多。向下走一个尺度台阶，见图1c，出现了曵丝的内部结构，由表皮、包裹层和大量丝原纤维（参见图1b虚线内的部分）构成。这是我们熟悉的多股钢缆、绳索和导线…的结构，大量文献与教科书已经阐明了这类结构的力学性能特点和优点。我们可能会惊叹：微型人类工程杰作！
接下来是人类工程见不到的奇景了。再向下走一个尺度台阶，见图1d，原纤维的结构呈现了：两种重复的蛋白质，并分别由氨基和羧基在两端处结束。继续向下走，到了纳米尺度——蜘蛛丝内部分级结构的华彩尺度台阶（图1e）：蛋白质的 -折叠纳米晶体（以下简称为折叠纳米晶）由蛋白质无定形-螺旋结构和 -转角多肽链连接（以下简称为蛋白质链）。再下台阶到图1f，见到折叠纳米晶由弱的化学键氢键（H-键）连接。蛋白质链也有氢键以保持小变形时不松开。下一节我们就在尺度台阶e观赏蜘蛛丝无与伦比的高强度与高延伸率完美结合的跨尺度力学奥秘。

1. 2. 跨尺度力学

考虑蜘蛛丝受到的拉力从小到大。小拉力时，图2e折叠纳米晶和蛋白质链内的氢键没有断裂，变形与力成正比，弹性模量E（曲线斜率）为常量，见图3的应力应变曲线的第I阶段（图3是计算模拟^【4】的分段线性简化曲线，真实曲线在第II和III阶段是曲线）。 当拉力增大到某个临界值时，蛋白质链缠结的氢键断开，链开始被拉直，宏观现象是蜘蛛丝屈服，弹性模量突降，见图3第II阶段。这个阶段丝可以伸展很长，图2e到图2g再到图2h说明了蜘蛛丝具有大延展性的原理：当基体中的蛋白质链展开。当蛋白质链充分展开后（见图2h），蜘蛛丝的大变形阶段结束，弹性模量急剧增加，进入图3第III阶段，即硬化阶段。最后折叠纳米晶破坏，蜘蛛丝被拉断。
图3的第III阶段有3条线。最上一条线对应于蜘蛛正常吐的丝，折叠纳米晶长3纳米。下面两条线分别假定了折叠纳米晶长6.5和10纳米。这三条线所揭示的纳米尺度效应将在下一节讨论。

图3. 蜘蛛丝在拉伸载荷下的应力应变关系

1. 3. 纳米尺度效应与优化

通过影响蜘蛛的吐丝速度^【2】，能够得到不同尺寸折叠纳米晶，实验表明随折叠纳米晶尺寸增加，蜘蛛丝强度降低。蜘蛛正常吐的丝为优化值。
为了说明蜘蛛丝的纳米力学优化原理，有学者^[5]根据图2e-f蛋白质链对折叠纳米晶体的作用力，建立了图4的受力模型：上下端被约束，中部受蛋白质链向左的横向力。力学计算表明，图4a长晶的破坏是弯曲主导的折断，晶体中部左侧氢键在弯折中被拉裂，属于脆性断裂，极限载荷小。图4b短晶则属于剪切滑动破坏，晶片在粘滑拔出过程中的阻力大大提高了承载能力。对于从3到10纳米三种长度的折叠纳米晶的计算结果已经由图3表示。
细心的读者会发现，图3第III阶段短晶的曲线（最上一条）达到失效载荷后还有一个“尾巴”，表明还能在一定变形范围内保持承载能力。这是因为图4b晶片拔出过程中氢键首次断开后，滑移到相邻氢键又会连接上的缘故。这种断开，滑移后连接，再断开，再滑移后连接，直至晶片完全被拔出的过程，对蜘蛛丝韧性的增加做出了重要贡献，别看这个小“尾巴”不显眼，其能量耗散达到了总耗散能的20%。
a

？b

图4. 上下端被约束，中部受横向力的纳米折叠晶：a. 长晶，弯曲折断；b. 短晶，剪切拔出。

1. 4. 启示与应用

蜘蛛丝具有捕捉飞行昆虫所需的超级力学性能。以功能为目标优化力学性能是生物材料的共同特征，还有像血管的弹性、骨的韧性、羽毛的轻质和抗弯折、鲨鱼皮的减阻、啄木鸟喙的抗冲击^【6】等等。这些优化力学性能都是采用普通材料，通过多尺度力学设计获得的，它引领人类进入分级结构材料与跨尺度力学的新交叉研究领域。
从“制造工艺”看。生物材料是自下而上，逐渐长出来的，能自组装出复杂的独特微结构。而工程复合材料则是自上而下生产，需要模具，只能造出简单的微结构。所以现在离工业生产出蜘蛛丝一样的工程材料还有相当长的路要走。

蜘蛛丝原纤维在国防、军事（如防弹衣）、建筑等领域具有广阔应用前景。但是天然蜘蛛丝结网的产丝量非常低。同时蜘蛛具有同类相食的个性，无法像家蚕一样高密度养殖，目前的应用价值仍远低于家蚕丝。

在自然界，昆虫等身体的微量金属元素对力学性能的提高起着重要的作用，受此启发，德国科研人员^[7]通过向蜘蛛丝里添加锌、钛或铝，能让蜘蛛丝变得更加坚韧，强度大大增加，可达到比钢高两倍的程度。

无论从科学还是从工程的角度，对蜘蛛丝的研究前景都是非常广阔的。

最后我们指出，生物能够将自己各部分的功能发挥到极致，并且往往有多种用途，像豆荚^[8]，既是保护籽粒的盔甲，又是传送养分的通道，还是制造养分的工厂（含叶绿素），最后还要完成弹射传播籽粒的任务。像鸟羽，既支撑身体飞行，又起保温隔湿和伪装隐蔽的作用。回过头来再看图3那款线弹性-软化-硬化的曲线，这独特的曲线形状原来大有深意，它赋予蜘蛛网独一无二的抗损伤和带缺陷工作的能力，我们将在第III部分介绍。

参考文献

1. 蒋持平，蜘蛛丝I：超级力学性能，力学与实践，2013，35（6）：


2. Du N. et al, Design of spider silk: from nanostructure to mechanical properties, Biophysical Journal, 2006, 91: 4528-4535


3. Huang X, Liu G, and Wang X, New secrets of spider silk: exceptionally high thermal conductivity and Iis abnormal uhange under stretching, Adv. Mater. 2012, 24, 1482–1486


4. Nova A, Keten S, Pugno N.M. et al, Molecular and nanostructural mechanisms of deformation, strength and toughness of spider silk fibrils, Nano Letters, 2010, 10:2626-2634


5. Keten S, Xu Z, Ihle B and Buehler M J, Nanoconfinement controls stiffness, strength and mechanical toughness of -sheet crystals in silk, Nature Materials, 2010, 9: 359-367,


6. 余同希，啄木鸟为什么能避免脑损伤，力学与实践，2012，34（3）：86-87


7. Lee SM, Pippel E, Gosele U, etc, Greatly increased toughness of infiltrated spider silk, Science, 2009, 324: 488-492


8. 蒋持平，刘清漪，郭乾坤，严鹏，豆荚弹射传播种子中的力学I：豆荚组织的多功能优化，力学与实践，2012，34（2）：93-96