一种天然纳米纤维捕鸟蛛丝的物理化学结构表征

蜘蛛丝作为功能性结构材料, 其独特的纤维成型方法与优良的结构和性能引起许多人的关注. 从20世纪80年代开始有关蜘蛛丝的研究报道日益增加[1]. 与高温高压下或由溶剂纺丝成型的合成纤维相比, 蜘蛛丝在空气中凝固成型, 丝纤维成型安全、无害, 从腹部若干不同吐丝器产生不同种类的丝具有不同的用途[2]. 蜘蛛拖曳丝(dragline silk)的比强度大于钢丝, 且具有较大的断裂伸长率(9%～30%)[3,4], 抗张强度1.1～1.4 GPa. 在相对湿度50%和应变速率100%/min的条件下, 模量值可达10～50 GPa. 在所有已知纤维品种中, 蜘蛛丝的断裂能是最高的. 此外, 蜘蛛丝在许多方面的综合性能优于最优良的人造纤维. 另外, 蜘蛛丝的细度为已知纤度最小的天然有机纤维, 这种高性能丝具有捕捉昆虫甚至鸟类的功能, 因此蜘蛛丝是具有特异功能的天然纤维材料. 目前, 蜘蛛丝结构和性能的研究主要包括其化学组成[5]、结晶结构[6,7]、结构模型[8,9]以及其NMR表征[10]等, 这些研究揭示了蜘蛛丝的氨基酸组成、分子量及其分布、结晶度、晶胞尺寸、链构象以及结构模型等. 这些研究主要集中在少数几种蜘蛛品种上, 如金色圆网织网蛛(Nephila clavipes)、十字圆蛛(A.diadematus)和大腹圆蛛(A.ventrocosus)等. 目前, 已知的蜘蛛种类大于30 000种[11], 以蜘蛛丝为例的生物大分子材料研究是一个挑战性的课题. 国内蜘蛛丝的研究仅有大腹圆蛛拖曳丝蛋白一级结构的研究报道[12,13]. 本文报道了广西捕鸟蛛丝的红外光谱、形貌结构和原子力显微镜的初步研究结果.     

仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料

采用仿生学原理, 设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域. 天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维, 具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)和坚韧性(断裂能为所有纤维中最高), 为自然界产生最好的结构和功能材料之一, 它在航空航天、军事、建筑及医学等领域表现出广阔应用前景. 受自然界蜘蛛丝启发, 天然蜘蛛丝仿生材料的研究迎来了机遇, 同时也给人们展示了许多新颖的仿生设计方法. 本文从不同仿生学角度综述了天然蜘蛛丝仿生材料的发展, 并提出了一些看法和思考.     

蜘蛛与蚕的人工强制纺丝研究进展

为制备高性能人造蜘蛛丝和蚕丝,人们在蜘蛛丝蛋白的基因重组、再生蜘蛛丝蛋白或蚕丝蛋白的仿生纺丝,以及蜘蛛与蚕的人工强制纺丝方面开展了大量工作.研究了人工强制纺丝,比较了蜘蛛牵引丝和蚕丝在不同纺丝条件下的力学性能.结果表明:在一定范围内增加纺丝速率有利于提高蜘蛛丝和蚕丝的力学性能,此外,环境温度、纺丝状态等条件对丝的性能也...     

人造蜘蛛丝的制备及其超收缩性能的综述

蜘蛛丝在材料特性方面超出了许多天然纤维和合成纤维。自然界中蜘蛛丝的纺丝是由可溶性的蜘蛛丝蛋白在专门的纺纱器官内发生复杂的生物化学和物理过程后形成的固体纤维。受天然蜘蛛丝的启发,人造蜘蛛丝的制备方法包括重组蛋白质工程、聚合物和有机合成技术。蜘蛛丝是超分子聚合物,具有许多众所周知的合成超分子材料的性能,例如嵌段共聚物,热塑性弹性体等。本综述讨论了蜘蛛丝的结构、人造蜘蛛丝的制备及其超收缩性能。     

木质纤维和蛛丝合成材料可替代塑料

<正>芬兰研究人员利用木质纤维和蜘蛛丝成分研发出一种新型生物基材料,未来有望用作塑料的替代品。材料的强度和延展性通常此消彼长不可兼得。芬兰阿尔托大学研究人员领衔的团队日前在美国《科学进展》杂志上报告说,他们将木质纤维与人造蜘蛛丝中的丝蛋白黏合在一起,研发出了一种新型生物基材料,具有高强度、高刚度及高柔韧性等特点。研究人员表示,未来这种合成材料可以替代塑料,用于医疗用品的生产以及纺织业和包装业等。与塑料不同,木质纤维和蜘蛛丝这两种材料的     

基于动物丝蛋白的人工纺丝

动物丝,特别是蜘蛛丝近年来由于其优异的综合力学性能而备受关注。但是天然动物丝的应用由于种种原因而受到各种限制,因此人们期望通过人工纺丝获得性能与天然动物丝相近的人工丝纤维。本文就采用动物丝蛋白进行人工纺丝的历史和现状,从再生蜘蛛丝蛋白、重组蜘蛛丝蛋白和再生蚕丝蛋白等方面进行综述,比较了天然动物丝和人工丝纤维的力学性能,并且探讨了人工生物模拟纺丝制备高性能人工丝纤维(超级纤维)的前景。     

基于动物丝蛋白的人工纺丝

动物丝,特别是蜘蛛丝近年来由于其优异的综合力学性能而备受关注.但是天然动物丝的应用由于种种原因而受到各种限制,因此人们期望通过人工纺丝获得性能与天然动物丝相近的人工丝纤维.本文就采用动物丝蛋白进行人工纺丝的历史和现状,从再生蜘蛛丝蛋白、重组蜘蛛丝蛋白和再生蚕丝蛋白等方面进行综述,比较了天然动物丝和人工丝纤维的力学性能,并且探讨了人工生物模拟纺丝制备高性能人工丝纤维(超级纤维)的前景.     

基于动物丝蛋白的人工纺丝

动物丝，特别是蜘蛛丝近年来由于其优异的综合力学性能而备受关注。但是天然动物丝的应用由于种种原因而受到各种限制，因此人们期望通过人工纺丝获得性能与天然动物丝相近的人工丝纤维。本文就采用动物丝蛋白进行人工纺丝的历史和现状，从再生蜘蛛丝蛋白、重组蜘蛛丝蛋白和再生蚕丝蛋白等方面进行综述，比较了天然动物丝和人工丝纤维的力学性能，并且探讨了人工生物模拟纺丝制备高性能人工丝纤维（超级纤维）的前景。     

蜘蛛吐丝过程中钾的作用

用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对蜘蛛Nephila丝腺体和丝进行测定,结果表明,钾在丝中的含量明显高于在丝腺体中的含量.同时,在蜘蛛丝蛋白溶液中加入氯化钾,溶液出现乳白色浑浊,表明有呈β-折叠构象的微纤产生.浊度测试发现,丝蛋白微纤会逐渐聚集成较大颗粒而在溶液中形成沉淀.另外,红外光谱和拉曼光谱亦证明钾能够使蜘蛛丝蛋白膜发生从无规线团/螺旋到β-折叠的构象转变.有理由认为钾在蜘蛛吐丝过程中起重要作用,它的存在有利于丝蛋白形成β-折叠结构.     

仿蜘蛛丝空腔微纤实现大规模高效集水

正蜘蛛丝因其能从潮湿空气中收集水分而闻名于世,其周期性纺锤节点和连接部分产生的表面能量梯度差和拉普拉斯压力差,使得水滴能够连续不断地定向输送(江雷等,Nature,2010,463,640)。受此启发,香港大学Wang L Q等通过简单的"气-水微流控方法"精确制造了具有空腔纺锤形结构的微纤维,其结构有效降低纤维自身重量,可大规模制备和实现     

红外和拉曼光谱用于对丝蛋白构象的研究

动物丝纤维和相关丝蛋白材料的性能与丝蛋白本身的二级结构即构象密切相关。红外光谱和拉曼光谱是研究蛋白质构象的有力手段，因此在丝蛋白结构的研究中也有广泛的应用。本文综述了红外光谱和拉曼光谱在家蚕、野蚕(主要是柞蚕)和蜘蛛丝蛋白研究方面的应用，并对表征丝蛋白各种构象的红外和拉曼特征峰进行了较为全面的归纳总结。     

电化学控制产生纳米氧气气泡及其对电化学聚合吡咯形貌的影响

利用原位电化学原子力显微镜(in-situ EC-AFM)研究了纳米氧气气泡在高定向热解石墨(HOPG)表面的电化学控制产生与生长. AFM原位图像表明电化学产生的氧气在HOPG表面形成了纳米气泡, 并且纳米气泡的产生与生长可以通过改变外加电压和反应时间来进行控制. 随后, 研究了电化学产生的纳米氧气气泡对于在HOPG表面电化学聚合吡咯反应的影响, 结果表明伴随聚合反应过程产生的纳米氧气气泡使得生成的聚吡咯膜表面形成了气泡状的缺陷.     

结合光学成像技术研究单颗粒碰撞电化学

近年来,单颗粒碰撞技术在纳米电化学领域受到广泛关注. 该技术通常控制超微电极处于某一电位,检测单个纳米颗粒随机碰撞到电极表面后产生的瞬时电流. 通过分析电流信号,可以研究单个纳米颗粒的性质. 尽管该技术可以检测单个纳米颗粒的电化学或电催化电流,但是传统的单颗粒碰撞技术缺乏空间分辨率,难以识别和表征特定的纳米颗粒. 因此,结合光学成像技术研究单颗粒碰撞电化学来补充电化学技术缺失的空间信息已成为一种趋势. 本文首先简要综述了单颗粒碰撞技术的三种检测原理,主要介绍了近年来单颗粒碰撞技术与荧光显微镜、表面等离激元共振显微镜、全息显微镜和电致化学发光相结合的研究进展,最后展望了单颗粒碰撞技术未来的发展趋势.     

石墨烯诱导水凝胶成核的高强韧人造蛛丝

天然蜘蛛丝是由β-sheet交联的蛛丝蛋白溶剂流入S-型导管后经牵引拉伸形成,它显示了高强度与高韧性的完美结合。其优异的力学性质主要源于它的多级结构：交联、线性排列的纳米组装体以及核壳结构。受此启发,我们合成了一种交联的水凝胶,通过牵引拉丝的方法,制备了交联的、含有取向排列的纳米组装体结构以及核壳结构的凝胶纤维,并通过少量引入二维纳米材料—氧化石墨烯(0.01%),进一步调控纳米组装体的取向和尺寸,实现了蜘蛛丝般优异的力学性能(断裂强度560 MPa,断裂韧性200 MJ·m^–3,缓冲能94%)。这种纤维可以用于高速下落物体的能量耗散和降低冲击力。     

扫描电化学显微镜在光电能源研究领域的应用

作为一种扫描探针技术,扫描电化学显微镜(SECM)在金属防腐、材料表征、生物医学和新能源技术等领域的研究中扮演着重要角色。本文简要介绍了SECM的基本工作原理和常用的两种工作模式:反馈模式和收集/产生模式;综述了SECM在太阳能电池和太阳光解水制氢两个光电能源研究领域的应用进展,同时结合课题组的工作基础,特别是近期利用SECM筛选合适金属离子掺杂改性WO₃光阳极的工作,对SECM在筛选半导体电极材料方面的应用特点进行了实例展示介绍,最后简要总结了SECM在光电能源研究领域的发展及方向。     

仿生微纳米纤维黏附材料

自然界中功能与结构相统一的生物材料是人类社会创新的灵感源泉。在众多具有优异性能的生物材料中,具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维一直是仿生研究领域的热点之一。生物微纳米纤维黏附现象是自然界中存在的一类奇特的现象,众多具有特殊黏附性质和功能的生物微纳米纤维材料在生物运动、防御和猎物捕获等方面都具有重要的作用。生物微纳米纤维黏附主要包括纤维尖端的黏附和表面的黏附,如壁虎脚刚毛尖端的黏附和蜘蛛丝表面的黏附。研究表明生物微纳米纤维黏附作用主要来源于其特殊的微纳米结构和表面性质。受自然界中具有特殊黏附性能的生物微纳米纤维启发,人们设计和开发了众多性能优异的仿生微纳米纤维黏附材料。微纳米纤维黏附材料在干态粘胶、高效集水和空气过滤等领域都具有重要的应用价值。本文综述了壁虎脚刚毛、蜘蛛丝等生物微纳米纤维的黏附机理及其相应仿生材料的研究进展,并对该领域未来的发展方向作了展望。     

蜘蛛丝素和聚乙烯醇固定葡萄糖氧化酶 制备葡萄糖传感器

用蜘蛛丝素和聚乙烯醇的混合材料把葡萄糖氧化酶固定在氧电极表面,制成葡萄糖氧化酶电极。传感器对葡萄糖有灵敏的响应,平均响应时间为20s,电位变化值与葡萄糖浓度在3.0×10     

钙离子对支撑磷脂膜离子通道行为的诱导作用

将一种支撑磷脂膜--杂化双层膜(Hybridbilayermembrane,HBM)用于钙离子与磷脂作用的研究,以Fe(CN)₆^3-为探针,发现钙离子可诱导HBM产生离子通道,且通道的打开与关闭可反复运转,并用STM观察了这一现象.     

基于光学成像技术的单颗粒电化学研究

光学显微镜技术具有高时空分辨率、高通量、高灵敏度、非接触等优点,十分适合于微观、异相界面的电子转移过程研究,因而在单颗粒电化学分析中展现出良好的应用前景.结合本课题组的研究工作,本文主要介绍了单分子荧光显微镜、表面等离激元共振显微镜、暗场显微镜及电化学发光四种光学显微技术在单纳米粒子电化学研究方面取得的最新研究进展,最后展望了光学显微镜成像技术的应用前景和挑战.     

时间分辨红外光谱对丝蛋白膜构象转变动力学的研究：不同碱金属离子对蜘蛛丝蛋白膜构象转变的影响

运用时间分辨红外光谱对碱金属盐溶液诱导发生的蜘蛛丝蛋白膜的构象转变过 程进行跟踪研究。结果表明虽然构象转变速率为NaCl>KCl>LiCl，但是在最终完成 构象转变的丝蛋白膜中β－折叠结构的比例却是KCl>LiCl>NaCl。综合膜的构象转 变速率和程度，可以认为在三种碱金属盐中，KCl最有利于丝蛋白的构象转变，这 与钾在蜘蛛吐丝过程中起重要作用的观点（即发现在丝腺体中的丝蛋白胶状物，越 靠近吐丝口，钾离子含量越高）相吻合。同时根据对构象转变动力学数据的分析， 认为蜘蛛丝蛋白膜的构象转变由快速两相组成，其中较快相（相应时间常数为 5min左右）对应于链段运动引起的构象转变，而较慢相（相应时间常数为50min左 右）则对应于整根大分子链的运动引起的构象转变。