热烈庆祝课题组届本科生王臻的本科毕业设计发表于国际期刊《GIANT》。这项研究工作从实验和理论的角度，系统地阐释了柞蚕丝与水的相互作用。通过研究蚕丝对湿度的循环响应，根据同步辐射傅里叶红外显微光谱和小角、广角X射线散射的结果，提出了蚕丝非晶区的可逆性有序图案在水溶剂驱动中起关键作用。并建立模型量化了蚕丝在不同湿度条件下的整个响应过程。
图一：自制的柞蚕丝湿度响应行为检测装置（左）
柞蚕丝在多次加湿和干燥周期中的力学响应（右）
为了研究柞蚕丝与水的相互作用，王臻与课题组研究生林诗绘开发了一个由自动加湿器和高敏感张力装置组成的自建系统用来监测柞蚕丝纤维对湿度的响应。测试前，将样品两端固定在拉力试验机的两个夹子上。调整两个拉伸夹之间的距离，使测试样品变直(但不产生应力)后，固定其位置。在试验过程中，在拉力试验机的悬臂上安装一个加载传感器，同步记录加湿干燥循环过程中的力学响应。
由实验结果可知，第一个阶段涉及到压力的不可逆增加，这种现象被称为动物丝的超收缩，当丝第一次暴露在水蒸气中时就会出现。而第二阶段是一个可重复的循环响应。如图所示，这一阶段的应力在干燥过程中从P2逐渐上升到第三平台(P3)。进一步加湿可进一步降低回P2。加湿过程中的应力变化比干燥过程更为剧烈。这种稳定的循环湿应力响应P2→P3→P2，可以重复50多个循环，强度没有任何可检测到的衰减。
图二：丝纤维超收缩和循环湿度反应的结构起源
我们提出了一个新的模型来解释水分子与动物丝的相互作用。如图二所示，无论动物丝的类型如何，三个结构即(i)β折叠纳米晶，(ii)亲水甘氨酸富结构域，(iii)取向无定形相，在动物丝对湿度的循环响应中起着关键作用，前两种是稳定分子网络的交联剂，其中β折叠纳米晶稳定性强，不与水发生相互作用。非晶区富含甘氨酸的交联剂稳定性取决于氢键密度。此外，在自然纺丝或力轴纺丝过程中，丝蛋白随剪切流和拉伸流的方向排列。由于动物纺丝过程中的快速凝固，这些取向结构大部分保留在纤维中。因此，动物丝的无定形相不是完全随机的，而是以一种朝向纤维长轴的排列形式出现。通过广角x射线散射(WAXS)和同步傅里叶红外光谱(micro-SFTIR)表征均证实了这一点（图三）。
图三：柞蚕丝在超收缩前(A和B)和超收缩后(C和D)的红外光谱（A和C）和WAXS图案(B和D)
最后，我们利用基于平均场理论的群体相互作用模型(用于理解机械加载过程中的能量储存和分散)，量化了蚕丝在湿度条件下的整个响应过程。最后利用模型模拟得出的曲线遵循实验观测值，模拟出的在完整的超收缩过程中,超收缩前后的负载值与实验结果一致。
王臻同学目前已保送至复旦大学继续深造。BMG祝愿王臻科研顺利，前途似锦。
该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院合肥科学中心优秀用户项目、化纤与高分子材料改性国家重点实验室、上海科技大学启动基金的资助。同时获得上科大电镜中心、上科大分析测试中心和及中国科学技术大学同步辐射实验室(合肥国家同步辐射实验室)、上海蛋白科学中心、上海同步辐射光源的支持。
文章原文链接：
