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不靠蜘蛛俠,用激光就能“焊接”蜘蛛絲!

來源:DeepTech深科技2017-08-28 我要評論(0 )   

蜘蛛絲(si) 是一種比蠶絲(si) 更為(wei) 神奇的物質。但由於(yu) 人類暫時無法馴服蜘蛛,蜘蛛絲(si) 的工業(ye) 化生產(chan) 暫時隻是一場夢。而且,雖然現代生物科技有偷天換日的能力,它也無法讓除了蜘蛛之...

蜘蛛絲是一種比蠶絲更為神奇的物質。但由於人類暫時無法馴服蜘蛛,蜘蛛絲的工業化生產暫時隻是一場夢。而且,雖然現代生物科技有偷天換日的能力,它也無法讓除了蜘蛛之外的任何生物產生蜘蛛絲蛋白。

所以,工業蜘蛛絲的來源隻能依賴“野生”蜘蛛了。量少不說,而且這種“手工”式生產無法控製,也毫無標準。因此即便采集這些野生的蛛絲,其生產應用也是個問題。那麽到底該如何使用這些與現代化生產手段不兼容的蜘蛛絲?

近日,一隊來自印度的研究人員聲稱找到了解決這一問題的辦法。他們表示,在適當的環境下,蜘蛛絲中的一種蛋白就可以放大激光的功率,讓激光獲得足夠的能力來切割或焊接蜘蛛絲。

這種手段背後的原理叫“非線性多光子吸收”。簡單來說,此效應可以讓兩個(或者多個)光子像一個光子一樣被物質吸收,而這個“合光子”的能量為那兩個(或多個)光子各自能量的總和。它之所以是非線性的,是因為合成光子的能量等於多光子光強的平方和,而不可能是分數或倍數。

此效應對於(yu) 隻能吸收高能量光子,卻無法吸收低能量光子的材料(比如蜘蛛絲(si) )來說十分重要。因為(wei) 它可以導致正常情況下會(hui) 穿透材料的光可以有效地被材料吸收,讓材料分子躍遷至高能級狀態。在高能級狀態下,分子就可以出現熒光,化學鍵斷裂重組,或者持續吸收能量至融化等變化。

在蜘蛛絲(si) 上,研究人員使用了“飛秒激光”(即 10-15 秒長度的激光照射),利用多光子吸收效應把能量集中引導到一個(ge) 指定的部位。他們(men) 之所以選擇飛秒,而不是更常見的“長皮秒”(10-12 秒),是因為(wei) 在飛秒激光的照射下,能量可以隻存儲(chu) 於(yu) 蜘蛛絲(si) 上的目標部位,而不會(hui) 擴散到其他部位而造成損傷(shang) 。

在使用飛秒激光進行試驗時,研究人員們(men) 發現了數個(ge) 波長,可以讓蜘蛛絲(si) 實現雙倍,三倍,甚至四倍單個(ge) 光子能量的多光子吸收效應。其中,每平方厘米 80GW(千兆瓦)的功率是基線,任何低於(yu) 這個(ge) 功率的激光都無法產(chan) 生任何效果。而每平方厘米300GW則是上線,在這個(ge) 功率及以上,激光隻會(hui) 把蜘蛛絲(si) 切斷。當然,這個(ge) 功率的激光可以用於(yu) 精準的將蜘蛛絲(si) 切割到各種長度。

至於(yu) 處於(yu) 這兩(liang) 條線之間的激光,其功率則可以成功的讓蜘蛛絲(si) 半融化,體(ti) 積稍微擴大一圈;在照射偏離中心的位置時,還能讓蜘蛛絲(si) 進行彎曲。通過對照射時間的控製,研究人員們(men) 可以精準控製彎曲的具體(ti) 度數。目前,他們(men) 已經用蜘蛛絲(si) 成功做出了螺線管、彈簧、以及複雜的結扣。

圖 | 激光照射過的兩(liang) 種蜘蛛絲(si) 結構


更厲害的是控製蜘蛛絲(si) 的融化。當蜘蛛絲(si) 在其他材料上融化並凝固後,這相當於(yu) 把它“焊接”到了那個(ge) 材料上。通過這種手段,研究人員成功的把蜘蛛絲(si) 焊接到了金屬、玻璃、甚至凱夫拉纖維(美國杜邦公司研製的一種芳綸纖維材料產(chan) 品的品牌名,可用於(yu) 防火)上。壓力測試顯示,這種焊接的強度十分接近於(yu) 蜘蛛絲(si) 本身的強度。研究人員們(men) 給一麵小鏡子的四角焊上了蜘蛛絲(si) ,然後把蜘蛛絲(si) 焊在一個(ge) 方框上,僅(jin) 用這四根蜘蛛絲(si) 就把鏡子懸掛了起來。

精準控製蜘蛛絲(si) 的技術用途十分廣泛。研究人員們(men) 表示,該技術能適用於(yu) 多種生物材料,比如貝殼、外骨骼、以及毛發這些容易實現量產(chan) 的材料。而這,則是人們(men) 接下來的研究課題了。不過,我們(men) 不能忽略蜘蛛絲(si) 商業(ye) 化最基本的問題:量產(chan) 。我們(men) 至今還無法大量生產(chan) 蜘蛛絲(si) 。

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