蜘蛛人吐絲成真！科學家研發超強黏性纖維能舉起重物

皇帝 | 2024-10-19 08:30:58

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受到蜘蛛人（Spider-Man）電影的啟發，美國塔夫茨大學（Tufts University）的研究團隊，成功研發出一種新型吐絲技術，能像蜘蛛人一樣，從裝置中射出液態材料，並在接觸目標後立即凝固成具有黏性的纖維，進而提起重物。這項研究成果，10月10日發表於《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）期刊。

研究團隊利用蠶絲（silk moth cocoons）為材料來源，將蠶絲蛋白溶液（fibroin）經由細小的針頭擠出。透過添加特定物質，讓絲蛋白溶液接觸空氣後，迅速凝固成纖維。

研究團隊的靈感來自大自然。蜘蛛、螞蟻、黃蜂、蜜蜂、蝴蝶、蛾、甲蟲，甚至蒼蠅，都會在生命週期中的某個階段產生絲線。塔夫茨大學的絲蛋白實驗室（Silklab）也曾運用絲蛋白，研發出許多創新產品，例如水下強力黏著劑、可列印感測器、延長農產品保存期限的可食用塗層，以及能大幅提升太陽能電池效率的光收集材料等。

然而，要完全複製蜘蛛吐絲的精妙之處，讓科學家們費盡心思。蜘蛛能精確控制絲線的硬度、彈性和黏性，而這一直是科學家們努力突破的難關。

突破性的發現，卻是意外而來。塔夫茨大學研究助理教授普雷斯蒂（Marco Lo Presti）博士表示。，「我當時正在進行一個使用絲蛋白製作超強力黏著劑的計畫，當我用丙酮（acetone）清洗玻璃器皿時，注意到玻璃底部形成了類似蜘蛛網的物質。」

這個意外發現，解決了複製蜘蛛絲線的幾個工程挑戰。絲蛋白溶液暴露於乙醇或丙酮等有機溶劑後，會在數小時內緩慢形成半固體水凝膠。但添加多巴胺（dopamine），則讓凝固過程幾乎瞬間完成。當有機溶劑快速混合時，絲蛋白溶液會迅速形成具有高拉伸強度和黏性的纖維。多巴胺及其聚合物，運用與藤壺（barnacles）形成纖維相同的化學原理，使其能牢固地黏附在表面上。

接下來，研究人員在空氣中紡絲，他們在絲蛋白溶液中添加多巴胺，似乎能透過將水分從絲蛋白中抽出，來加速液體到固體的轉變。當溶液透過同軸針頭射出時，一股細細的絲蛋白溶液流，會被一層丙酮包覆，觸發凝固過程。

丙酮在空中蒸發，留下黏附在任何接觸物體上的纖維。研究人員還添加幾丁質（chitosan，一種來自昆蟲外骨骼的衍生物），以及硼酸鹽緩衝液（borate buffer），以增強纖維的拉伸強度和黏性。

根據針頭的孔徑大小，纖維直徑可從頭髮粗細調整到約半毫米。實驗中，該裝置射出的纖維，可在各種條件下，提起超過自身重量80倍的物體，例如：蠶繭、鋼製螺栓、漂浮在水上的實驗室試管、部分埋在沙中的手術刀和木塊等，射程約12公分。

普雷斯蒂博士表示，這項研究並非單純模仿生物材料，而是受到超級英雄的啟發，創造出具有「超能力」的材料。雖然目前人工合成纖維的強度，仍不及天然蜘蛛絲的1000倍，但隨著科技的進步，未來將有更多創新應用。

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