防弹衣跟T恤一样轻?用了蜘蛛丝就可能!

在《蜘蛛人》系列电影中,蜘蛛人靠着强韧的蜘蛛丝,不仅可以飞檐走壁,还能当成武器来攻击敌人、拯救世界;现实世界中,蜘蛛靠着蜘蛛丝捕捉猎物、保护自己……,每一根蜘蛛丝都蕴藏着大千世界的无穷奥妙,一直是科学家相当着迷且亟欲破解的自然界奥秘,可说是相当热门且历史最悠久的仿生材料研究主题。防弹衣跟T恤一样轻?用了蜘蛛丝就可能!插图蜘蛛丝拥有极高的强度、延展性及韧性,且重量极轻——如果拿蜘蛛丝环绕地球一圈,所需要用到的蛛丝,总重量还不到500公克;最重要的是,对科学家来说,蜘蛛丝是纯蛋白质,拥有极高的生物兼容性,不易产生人体免疫反应,十分适合开发更加多元的应用,包括:军事科学、医疗生技、纺织、工业等,是极具发展潜质的智慧生物材料。
事实上,早在十几年前,工研院生医工程中心(生医与医材研究所前身)便研拟将蛛丝基础科学研究计划列为前瞻科技计划之一,由工研院研究员杨正昌、东海大学生命科学系教授卓逸民与国辐中心研究员许火顺等人合作,以同步辐射X光绕射实验进行台湾人面蜘蛛丝研究,获得三大发现:
第一,蛛丝耐热性高,加热到摄氏200度至300度时,蛛丝的奈米晶体才会崩解。
第二,蛛丝的粗细大约是头发的十分之一,强韧度却是同重钢丝的五倍,弹性是尼龙的三倍。
第三,蛛丝辐射状的主要骨架称为拖曳线,拖曳线的丝碰到水,长度会收缩为原本的一半,但更有弹性,能像橡皮筋般拉扯,超越多数人造纤维所能达到的程度。
防弹衣跟T恤一样轻?用了蜘蛛丝就可能!插图(1)利用基因工程,可大量生产人造蜘蛛丝蛋白,提供各类应用所需。

蛛丝的强韧关键:蛋白奈米晶体

一根蛛丝上同时拥有两种蛋白奈米晶体,一种是排列整齐的结晶,另一种是不规则的混乱结晶,坚硬的晶体与柔软的蛋白质体结合形成合材料,强化了蛛丝的硬度与韧性,甚至使得蛛丝可以吸收巨大冲击能量,仅需要极微量便能达到防弹效果,让防弹衣可以做成如T恤般轻便,比现行防弹衣材料克维拉(Kevlar)纤维还要轻。

不过,蜘蛛是肉食动物,无法大量饲养,天然蜘蛛丝受限于产量和程等因素,产品开发与实际生产仍有不少瓶颈,于是,科学家将蜘蛛丝蛋白基因殖入山羊乳腺细胞、仓鼠、大豆、大肠杆菌或酵母菌的基因,以基因工程方式生产大量蜘蛛丝蛋白,希望开发出比拟天然蛛丝特性的仿生蜘蛛丝。
以台大生科系教授吴亘承为例,他以天然蜘蛛丝纤维做为生医工程材料,在蛛丝表面重新组装蛋白质、酵素、抗体等物质,赋予蜘蛛丝纤维崭新的生物化学功能,应用在动物癌症细胞株纯化与分离,并成功将蜘蛛丝蛋白基因殖入大肠杆菌,大量生产蜘蛛丝蛋白,做为各类应用的仿生材料。
高强度纤维已广泛应用在我们的日常生活,除了碳纤维,芳香族聚酰胺类纤维更因性能优异与形式多样,成为目前应用最广、产量最大的纤维,在国防、航天、汽车、能源材料等领域具有不可取代的地位。
譬如,国辐中心研究员庄伟综、周哲民与远东新世纪公司合作,开发出新型聚酰胺类纤维材料,具有高强度、质轻、耐高温且耐化学侵蚀等特质,可以应用在轻航器、大型机具吊挂绳索、海底电缆等项目。

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