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蛛丝的奥秘

作者:沈从文    来源:《青少年科学探究》2013.4    2013-5-31

 

一只偷猎成功的蚊子,拖着圆滚滚的肚子,哼着小曲飞向角落,准备美美睡上一觉。然而,角落里的蛛网,却成了它永远的“睡床”。在树丛、草丛、旧屋子等处的角落里,蜘蛛织好一张张大网,然后躲在一边“守株待兔”,静候误入歧途的可怜虫们。只要飞虫撞到蜘蛛网上被粘住,就再也无法逃遁,只能徒劳地挣扎一番。蜘蛛腿上的震动感受器一旦感应到“震动”,便立刻赶往“事发地”美餐一顿。
蜘蛛网具有自然界里独一无二的悬索结构,能造出这样的结构,关键在于蜘蛛丝具有特异的性能:具有极好的弹性与韧性。蜘蛛丝虽很细,每股内含有许多根丝,每根的直径虽只有100纳米左右,但承受的张力可达3克重,即使拉伸10倍以上也不会断掉,它的强度是同样粗细的钢丝的5倍。这确实是大自然的奇迹,是真正的纯天然纳米纤维。它是强度最大的天然高分子化合物,如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,那么它可以吊起上千吨重的物体。
蜘蛛丝的主要成份是氨基酸组成的蛋白质类高分子化合物,由于它呈酸性而且含有某种杀菌物质,故不易发霉;此外,蜘蛛丝含有吸湿的吡咯烷酮,虽然在自然界免不了遭受风吹、雨打和日晒,却仍然保持一定的粘着力;蜘蛛网还具有优美的对称性,怎么看都是生物建筑学上的重要成果。蜘蛛丝的弹性与韧性为什么如此强悍呢?美国加利福尼亚大学的科学家揭开了奥秘。他们研究发现,在纳米尺度上,蜘蛛丝的结构形同一根极细的螺旋线,看上去像很长的在某种液体中浸泡过的“弹簧”。在拉伸时,蜘蛛丝如“弹簧”一样会竭力返回原来的长度,而当它缩短时,本身又会吸收振动能量并转变为热能,这种性能同样十分奇特。
2009年,北京航空航天大学化学与环境学院的郑咏梅教授在观察中发现,蜘蛛丝就像一串“珍珠项链”。在这条“项链”上,由细微的纳米纤丝随机纠缠在一起构成的“珍珠”,有着粗糙的表面,而由两根纤维组成的“链绳”是光滑的。两根纤维外包裹着一种能吸引水分子的材料,这就是蜘蛛丝捕获水的妙法。粗糙和光滑表面之间存在一种力,它将水从光滑表面推向粗糙表面,并在那里凝聚以形成水滴。这个发现揭开了蜘蛛网上见到的明亮水珠之谜,这并不是重力的作用,而是纳米世界中的神奇之力。这项发现是对生物表面的特殊浸润性及对水的收集特性研究的一项重大突破。此项发现可以设计大规模的人造纤维以收集空气或雾气中的水,来供应水源缺乏地区人们的需求,并可用于工业生产过程中浮质过滤等领域。