“石器時代、青銅時代、鐵器時代……人類的整個文明史幾乎可以用材料來劃分、命名。”9月20日，位于上海市松江區(qū)的東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士研究生、論文第一作者米俊鵬告訴澎湃科技。
如何設(shè)計(jì)一種兼具高強(qiáng)度和高韌性的超級材料？比如用于建造太空電梯？
米俊鵬表示，此前人們以為“魚和熊掌不可兼得”。但在最新發(fā)表的論文中，他首次探究并界定了材料強(qiáng)度與材料韌性的“本質(zhì)”，并開創(chuàng)了兩個新理論——INCBED理論和ASM INCBED理論。前者被稱為“分子間非共價(jià)鍵能密度理論”，被用于描述材料強(qiáng)度的本質(zhì)。后者被稱為“平均單分子間非共價(jià)鍵能密度理論”，被用于描述材料韌性的本質(zhì)。而這一研究成果有望指導(dǎo)大量高性能材料的設(shè)計(jì)和改良。
“可以作為設(shè)計(jì)能夠建造太空電梯的材料的指導(dǎo)原則，有效地將超高強(qiáng)度和超強(qiáng)韌性結(jié)合起來。”20日23時，前述在線發(fā)表在細(xì)胞出版社（CellPress）旗下國際期刊《物質(zhì)》（Matter）上論文稱。
該論文的標(biāo)題是《用轉(zhuǎn)基因家蠶紡制的高強(qiáng)度、超韌性全蜘蛛絲纖維》（High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms）。東華大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院孟清教授和西南大學(xué)夏慶友教授是該論文的通訊作者。
米俊鵬等人還以前述理論為指導(dǎo)，對強(qiáng)韌輕巧的蜘蛛絲進(jìn)行研究和改良，讓蠶吐出比防彈背心纖維韌性更高的蜘蛛絲。
“我們生產(chǎn)出了全球首個完整全長的蛛絲蛋白纖維。”米俊鵬說。
研究結(jié)果顯示，這些由家蠶“吐出”的蜘蛛絲蛋白纖維表現(xiàn)出驚人的拉伸強(qiáng)度——達(dá)1299兆帕，和驚人的韌性——達(dá)319兆焦耳/立方米。其韌性比美國杜邦公司研發(fā)、可用于制作防彈衣的凱夫拉纖維的韌性高6倍。
蛛絲纖維重量很輕，又具有極高的機(jī)械性能，在軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域都有應(yīng)用前景。而養(yǎng)蠶、收集蠶繭、繅絲等已是相對成熟的商業(yè)體系。讓蠶“吐出”蛛絲，有助于實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模商業(yè)化。
此前有美國公司稱，用蠶合成蛛絲蛋白纖維，并獲得其國防部門的支持，但對其技術(shù)及細(xì)節(jié)秘而不宣。
科學(xué)家們認(rèn)為蜘蛛絲是合成纖維的有前景的可持續(xù)替代品。合成纖維會向環(huán)境中釋放有害的微塑料，而且通常是由產(chǎn)生溫室氣體排放的化石燃料生產(chǎn)的。之前開發(fā)的人造蛛絲工藝需要在蛛絲表面涂上一層糖蛋白和脂質(zhì)，以幫助它抵御潮濕和日照——類似于蜘蛛在其蛛絲上涂的一層抗衰老的“皮膚層”。
而蠶為這個問題提供了一個解決方案，因?yàn)樾Q也會在自己的蠶絲纖維上包裹一層類似的保護(hù)層。
為了讓蠶“吐出”蛛絲，米俊鵬等研究人員將蛛絲蛋白基因引入蠶的DNA中，利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)和數(shù)十萬次微量注射到受精卵中的方法，在蠶的腺體中表達(dá)蛛絲蛋白。米俊鵬說，在這項(xiàng)研究中，顯微注射是最重大的挑戰(zhàn)之一，但當(dāng)看到蠶的眼睛在熒光顯微鏡下發(fā)出紅光時——這是基因編輯成功的標(biāo)志——他欣喜若狂。
“我手舞足蹈跑到孟清教授的辦公室分享這個結(jié)果。我還清楚地記得那個晚上，我興奮地睡不著覺。”米俊鵬說。
米俊鵬透露，人類等生物體內(nèi)只有20多種氨基酸，而一百多種工程氨基酸的引入，能為工程蛛絲纖維提供無限潛力。目前他正在瞄準(zhǔn)研發(fā)2.0版本、3.0版本的改良后的蛛絲。
