蠶絲：四千多歲的“新”材料

穿越歷史的長河

“蠶”，在詩歌中時常可見。漢代樂府詩《陌上桑》中的“羅敷喜蠶桑，采桑城南隅”;唐朝王維《渭川田家》中的“雉雊麥苗秀，蠶眠桑葉稀”;北宋歐陽修《歸田園四時樂春夏二首（其二）》中的“麥穗初齊稚子嬌，桑葉正肥蠶食飽”……這些或樸實清靜或明快輕愉的詩句，無一不在輕敘著“蠶”在古代農家中的重要地位。

1972年，長沙馬王堆辛追夫人墓出土了一批驚艷世人的文物，其中一件衣服——素紗單衣，尤其引人注目。這件衣服薄如蟬翼，似云霧般輕柔，是迄今為止發(fā)現的最早、最薄、最輕的文物服飾珍品，為西漢時期紡織技術巔峰之作。素紗單衣面料所用的絲線，便是由具有四五千年使用歷史的動物源纖維——蠶絲所制而成。而不論是西漢丞相夫人簡潔清朗的素紗單衣，還是清朝皇后繁復華麗的吉服，都少不了蠶絲的參與。

被馴化的“吐絲神器”

蠶（Bombyx mori），蠶蛾科昆蟲，是迄今唯一被人類成功馴化的昆蟲。經過數千年的人工選育，相較于蠶蛾科的其他成員，家蠶的進食量驚人，而且對居住環(huán)境也比較挑剔。因此，它們十分依賴人工精心飼養(yǎng)。

制作絲織品的蠶絲取自蠶繭。蠶在準備化蛹時會吐絲結繭，蠶繭一般為白色或淡黃色，由一根絲線結成，絲線長度為300～900米。蠶絲由蠶的絲腺產生，待腺體里的分泌物分泌殆盡，結繭過程結束。

蠶絲不是直接剝離抽取后就能使用，而是首先需要將蠶繭在熱水中浸泡，然后找到蠶繭上的絲頭，用手將抽出的絲線繞于絲筐上。古代的中國人稱此工序為“繅絲”。以前的繅絲都是純手工操作，而紡織工業(yè)興起后，手工便逐漸被機器替代。

絲綢之路

長沙馬王堆辛追墓出土的素紗單衣（藏于湖南省博物館）（圖片來源/Wiki）

機器正在進行繅絲工序

結好的蠶繭

正在進食的蠶

絲素蛋白所含部分種類氨基酸的分子結構式（供圖/李云哲）

向“新”材料華麗轉身

蠶絲的主要成分是絲膠和絲素，這兩者都是由氨基酸組成的蛋白質。絲膠為球狀蛋白質，易溶于水，而絲素為纖維狀蛋白質，難溶于水。蠶絲單絲的中間為絲素纖維，外圍是絲膠，然后兩根單絲平行黏合成蠶絲。

絲素蛋白含量占蠶絲的70%～80%，由18種天然氨基酸組成。其中小側基的甘氨酸（Glycine）、丙氨酸（Alanine）、絲氨酸（Serine）占比在80%以上，多位于絲素蛋白的結晶區(qū);而帶有較大側基的苯丙氨酸（Phenylalanine）、酪氨酸（Tyrosine）、色氨酸（Tryptophan）等氨基酸則主要分布于絲素蛋白的非結晶區(qū)。

蠶絲由家蠶5齡幼蟲的不同絲腺合成。中部絲腺和后部絲腺分別合成絲膠蛋白和絲素蛋白，經過一系列的pH梯度變化及鉀離子和鈣離子濃度的調節(jié)后，絲蛋白向前部絲腺的壓絲部移動，最終由吐絲孔牽引而出，固化為蠶絲。在上述過程中，蠶絲蛋白的結構由α-螺旋或不規(guī)則卷曲β-折疊轉變，使得蠶絲獲得了更好的力學性能。在蠶絲蛋白纖維化的過程中，前部絲腺發(fā)揮了重要作用。

作為唯一可以量產的天然長絲纖維，蠶絲具有較好的吸濕性能，同時也極為強韌。但滌綸、氨綸、腈綸等合成纖維的大量制造，不斷變化的市場需求，以及天然蠶絲抗皺性能差、易泛黃、抗靜電性能差、易起毛球等缺點，使得其相關紡織品產業(yè)受到巨大沖擊。不過，蠶絲并沒有因此而下線，而是在穿過科學家們的“清奇腦洞”之后，煥發(fā)了第N春，成為材料界的“新網紅”。

作為材料界的“流量擔當”，石墨烯和碳納米管這兩種碳材料可謂是集萬千寵愛于一身，學術界和工業(yè)界都對它們青睞有加。它們如此受歡迎，是不是可以帶著蠶絲“一起飛”？當然可以，并且“飛起”的方式有很多種：浸漬、噴涂、旋涂、化學交聯等，從而將石墨烯/碳納米管附著于蠶絲表面。但有人覺得這種方法太復雜，便直接給蠶寶寶喂食石墨烯/碳納米管，來提升蠶絲的性能。

2016年，來自清華大學化學系的張瑩瑩副教授團隊發(fā)表在國際納米領域頂級雜志《納米快報》（Nano Letters）的一篇題目為《以單壁碳納米管或石墨烯喂養(yǎng)蠶，以獲得增強的蠶絲纖維》（Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers）的文章，吸引了很多人的目光。

研究團隊在蠶寶寶3齡時開始喂食噴灑了石墨烯/碳納米管水溶液的桑葉，一直持續(xù)到蠶寶寶吐絲結繭。結果發(fā)現，如此獲得的蠶絲在強度和韌性上比空白對照樣品顯著提高，而且這些含有石墨烯/碳納米管的蠶絲經過高溫碳化處理后，形成的碳化纖維導電率顯著提高。他們還發(fā)現，喂食少量的石墨烯/碳納米管對蠶的生長和蠶繭的形貌沒有明顯影響，且蠶絲和蠶的排泄物中存在碳納米材料。

蠶絲除了可以跟石墨烯/碳納米管“合作”，還可以跟二氧化鈦、二氧化硅納米顆粒形成復合材料;同時，其經過靜電紡絲和高溫碳化處理可形成具有高導電性的石墨化微晶納米纖維膜。因此，蠶絲及其衍生材料在柔性可穿戴設備、智能織物等領域具有較大的應用潛力。

正在吐絲結繭的蠶

給蠶喂食石墨烯/碳納米管實驗過程示意（圖片來源/ACS Publications）

碳納米管結構

蠶孕育著新活力

走過數千年，蠶和蠶絲依然吸引著世人的目光，保有著經汩汩流年沁潤的光澤，同時也孕育著洶涌勃發(fā)的新活力，在古老與傳統中，逐漸彰顯現代和新興的模樣。