穿越歷史的長河

“蠶”，在詩歌中時?？梢?。漢代樂府詩《陌上?！分械摹傲_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(nóng)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(xiàn)的最早、最薄、最輕的文物服飾珍品，為西漢時期紡織技術(shù)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(fù)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(jīng)過數(shù)千年的人工選育，相較于蠶蛾科的其他成員，家蠶的進(jìn)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(zhǔn)備化蛹時會吐絲結(jié)繭，蠶繭一般為白色或淡黃色，由一根絲線結(jié)成，絲線長度為300～900米。蠶絲由蠶的絲腺產(chǎn)生，待腺體里的分泌物分泌殆盡，結(jié)繭過程結(jié)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(jī)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(jī)器正在進(jìn)行繅絲工序

結(jié)好的蠶繭

正在進(jìn)食的蠶

絲素蛋白所含部分種類氨基酸的分子結(jié)構(gòu)式（供圖/李云哲）

向“新”材料華麗轉(zhuǎn)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(zhì)。絲膠為球狀蛋白質(zhì)，易溶于水，而絲素為纖維狀蛋白質(zhì)，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(cè)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(jié)晶區(qū);而帶有較大側(cè)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(jié)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(jīng)過一系列的pH梯度變化及鉀離子和鈣離子濃度的調(diào)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(jié)構(gòu)由α-螺旋或不規(guī)則卷曲β-折疊轉(zhuǎn)變，使得蠶絲獲得了更好的力學(xué)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(chǎn)的天然長絲纖維，蠶絲具有較好的吸濕性能，同時也極為強(qiáng)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(diǎn)，使得其相關(guān)紡織品產(chǎn)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(xué)家們的“清奇腦洞”之后，煥發(fā)了第N春，成為材料界的“新網(wǎng)紅”。

作為材料界的“流量擔(dān)當(dāng)”，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(xué)術(shù)界和工業(yè)界都對它們青睞有加。它們?nèi)绱耸軞g迎，是不是可以帶著蠶絲“一起飛”？當(dāng)然可以，并且“飛起”的方式有很多種：浸漬、噴涂、旋涂、化學(xué)交聯(lián)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(fù)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(xué)化學(xué)系的張瑩瑩副教授團(tuán)隊發(fā)表在國際納米領(lǐng)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(qiáng)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(tuán)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(jié)繭。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如此獲得的蠶絲在強(qiáng)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(jīng)過高溫碳化處理后，形成的碳化纖維導(dǎo)電率顯著提高。他們還發(fā)現(xiàn)，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(fù)合材料;同時，其經(jīng)過靜電紡絲和高溫碳化處理可形成具有高導(dǎo)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(shè)備、智能織物等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

正在吐絲結(jié)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(jié)構(gòu)

蠶孕育著新活力

走過數(shù)千年，蠶和蠶絲依然吸引著世人的目光，保有著經(jīng)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(tǒng)中，逐漸彰顯現(xiàn)代和新興的模樣。