高强度单壁碳纳米管仿生结构研究取得进展

单壁碳纳米管（SWCNTs）是一种同时具有高强度、高韧性、高导电率和高导热率的新型材料，被广泛用在多功能复合材料中。然而当SWCNTs与聚合物复合时，其力学增强效应并没有完全发挥出来，甚至比理论预测低2-3个数量级。最近，武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组的博士生罗成志等受到天然蜘蛛丝特殊结构的启发，结合SWCNTs的高强度与高导电率，制备了具有蜘蛛丝结构的“仿生蜘蛛丝单壁碳纳米管”（BISS-SWCNTs）薄膜，大大提高了SWCNTs的强度。相关成果发表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》（2016, 8, 31256−31263）。

众所周知，构成蜘蛛网的蜘蛛丝具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂性能，其优异的综合性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。蜘蛛丝之所以具有如此优异的性能主要归功于其独特的网络结构。即：1）蜘蛛丝本身是一种由无序蛋白质包覆的有序蛋白质的“皮芯”结构，这种特殊的由“无序结构”包覆“有序结构”的特点使其在拉伸过程中既具有高的强度又保持了良好的韧性；2）在蜘蛛网的结点处还包覆着一种特殊的蛋白质，使其在受到拉伸作用时不会产生相对滑动； 3）蜘蛛丝表面还包覆着一种粘性蛋白质的纺锤结，这种粘性蛋白质能使蛛丝与猎物牢牢结合，从而大大提高捕猎效率。因此，蜘蛛丝的这种特殊结构对提高SWCNTs的强度具有重要的借鉴意义。

为了仿造蜘蛛丝的多层结构，潘教授课题组的博士生罗成志等以普通SWCNTs网络结构作为骨架，外面镶嵌Fe纳米颗粒，最后在表面包覆一层非晶碳。包覆的碳层不仅与SWCNTs形成了蜘蛛丝所特有的无序材料包覆有序丝线的“皮芯”结构，而且还能使连接结点处更加牢固。而镶嵌的Fe纳米颗粒则如同蜘蛛丝的纺锤结，能够使BISS-SWCNTs在与有机物结合后不易产生相对滑动。与普通网状SWCNTs相比,BISS-SWCNTs的杨氏模量提高了近2倍，而拉伸强度提高了3倍多。同时，BISS-SWCNTs薄膜还保留了原SWCNTs薄膜的高导电率和高透光率。

这种独特的仿生材料将在多功能复合材料方面具有重要应用，对未来的仿生材料也有重要启示。

文章链接：BioinspiredSingle-Walled Carbon Nanotubes as a Spider Silk Structure for UltrahighMechanical Property

图1 蜘蛛丝与BISS-SWCNTs的结构示意图

图2 BISS-SWCNTs的形貌及微结构表征

图3 BISS-SWCNTs/PMMA复合材料及其力学性能测试