不靠蜘蛛侠,用激光就能“焊接”蜘蛛丝!


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蜘蛛丝是一种比蚕丝更为神奇的物质。但由于人类暂时无法驯服蜘蛛,蜘蛛丝的工业化生产暂时只是一场梦。而且,虽然现代生物科技有偷天换日的能力,它也无法让除了蜘蛛之外的任何生物产生蜘蛛丝蛋白。

所以,工业蜘蛛丝的来源只能依赖“野生”蜘蛛了。量少不说,而且这种“手工”式生产无法控制,也毫无标准。因此即便采集这些野生的蛛丝,其生产应用也是个问题。那么到底该如何使用这些与现代化生产手段不兼容的蜘蛛丝?

近日,一队来自印度的研究人员声称找到了解决这一问题的办法。他们表示,在适当的环境下,蜘蛛丝中的一种蛋白就可以放大激光的功率,让激光获得足够的能力来切割或焊接蜘蛛丝。

这种手段背后的原理叫“非线性多光子吸收”。简单来说,此效应可以让两个(或者多个)光子像一个光子一样被物质吸收,而这个“合光子”的能量为那两个(或多个)光子各自能量的总和。它之所以是非线性的,是因为合成光子的能量等于多光子光强的平方和,而不可能是分数或倍数。

此效应对于只能吸收高能量光子,却无法吸收低能量光子的材料(比如蜘蛛丝)来说十分重要。因为它可以导致正常情况下会穿透材料的光可以有效地被材料吸收,让材料分子跃迁至高能级状态。在高能级状态下,分子就可以出现荧光,化学键断裂重组,或者持续吸收能量至融化等变化。

在蜘蛛丝上,研究人员使用了“飞秒激光”(即 10-15 秒长度的激光照射),利用多光子吸收效应把能量集中引导到一个指定的部位。他们之所以选择飞秒,而不是更常见的“长皮秒”(10-12 秒),是因为在飞秒激光的照射下,能量可以只存储于蜘蛛丝上的目标部位,而不会扩散到其他部位而造成损伤。

在使用飞秒激光进行试验时,研究人员们发现了数个波长,可以让蜘蛛丝实现双倍,三倍,甚至四倍单个光子能量的多光子吸收效应。其中,每平方厘米 80GW(千兆瓦)的功率是基线,任何低于这个功率的激光都无法产生任何效果。而每平方厘米300GW则是上线,在这个功率及以上,激光只会把蜘蛛丝切断。当然,这个功率的激光可以用于精准的将蜘蛛丝切割到各种长度。

至于处于这两条线之间的激光,其功率则可以成功的让蜘蛛丝半融化,体积稍微扩大一圈;在照射偏离中心的位置时,还能让蜘蛛丝进行弯曲。通过对照射时间的控制,研究人员们可以精准控制弯曲的具体度数。目前,他们已经用蜘蛛丝成功做出了螺线管、弹簧、以及复杂的结扣。

图 | 激光照射过的两种蜘蛛丝结构


更厉害的是控制蜘蛛丝的融化。当蜘蛛丝在其他材料上融化并凝固后,这相当于把它“焊接”到了那个材料上。通过这种手段,研究人员成功的把蜘蛛丝焊接到了金属、玻璃、甚至凯夫拉纤维(美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品的品牌名,可用于防火)上。压力测试显示,这种焊接的强度十分接近于蜘蛛丝本身的强度。研究人员们给一面小镜子的四角焊上了蜘蛛丝,然后把蜘蛛丝焊在一个方框上,仅用这四根蜘蛛丝就把镜子悬挂了起来。

精准控制蜘蛛丝的技术用途十分广泛。研究人员们表示,该技术能适用于多种生物材料,比如贝壳、外骨骼、以及毛发这些容易实现量产的材料。而这,则是人们接下来的研究课题了。不过,我们不能忽略蜘蛛丝商业化最基本的问题:量产。我们至今还无法大量生产蜘蛛丝。

 


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