蜘蛛丝的微观结构具有独特的声学特性

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　　我们已经知道蜘蛛丝是一种很棒的材料，但科学家们仍在不断发现它新的潜在应用价值。一支国际研究小组就发现，蜘蛛丝的某些特性与半导体类似，除了可以用来操纵某些电子元件，还可以用来控制声音和热量。

　　2016年，莱斯大学的一组科学家通过观察蜘蛛丝的微观结构，揭示了其传输声子、粒子的声音具有独特的方式。该研究首次表明，蜘蛛丝具有声子带隙。这意味着它可以阻止某些频率的声子波，可应用于隔热或隔音领域。论文的合著者，来自莱斯大学的Edwin Thomas在一份声明中说道：“如果你以一种特定的频率传播声音的话，那这种声音不会被材料吸收。”

　　声子带隙相当于一个频率范围，声波在这个范围内无法传播穿过材料，起源自波的干扰和散射。在超声频率对应声子波长为<300nm，与丝绸的特征长度相当，这使得科学家可以利用布里渊光散射来确定丝绸纤维的微结构。

　　负色散区域与垂直于传播声波的反常色散相一致，这意味着超分子下丝绸折射率为负。在同样具有声子带隙的超声声子晶体中，也观察到了超声声子带隙，在超声频率下阻止光波和声波穿过。对于声-光器件(比如光冷却和光泵抽取声音振荡器)来说，这些材料很有前进一步地，声子带隙可通过减少声子的流动来减少热导率，这使它成为可调节热管理应用的候选者。类似地，已经有报道显示蛛丝的独特超声特性可提高其生物医学领域的应用，因为其天然具有可控的可降解和生物相容性，没办法，基因好。

　　通过比较不同预应变下蛛丝的声子带隙， 研究人员论证了同轴机械各向异性、非线性和空间非定域性的关键作用，缘因于蛛丝纤维的分级结构。举个例子，没有分级组织或结构取向的材料，比如再生丝素，显示出各向同性的声学行为，而不是超声带隙。

　　这次的观察是首次发现的”高超声速声子带隙的生物材料”。

　　蜘蛛丝这些惊人的特性来自于其复杂的结构。一层坚硬的组织将这些丝组合在一起，柔软的区域使其保持灵活性，在这些区域中蜘蛛丝能够进行伸展。在蜘蛛丝的蛋白质中有两种氨基酸比较丰富，其中一种为丙氨酸，镶嵌在胶状聚合物中组成蜘蛛丝纤维，还有一种氨基酸为甘氨酸，大约占其蛋白质组成成分的70%。这两种氨基酸中有一种拥有高度有序的结构而另一种则没有。有序与无序之间的张力让蜘蛛丝拥有了强大的张力。

　　随着蛛丝从超缩态变为伸长态时预应力的增加，机械各向异性和非定域非线性增加，导致其带隙更小，即能阻止更小范围的频率通过。1，蛛丝结构的机械非线性形成了一个特殊的负群速度区域;2，蛛丝的各向异性结构;1和2一起组成独特的对称条件，从而形成了带隙。声子带隙和散布显示出强的非线性的应变依赖性。

　　当蜘蛛网被破坏或猎物被困在其中时，蜘蛛能感觉到，这是通过蜘蛛网的震动，就像声音通过空气的震动传播一样。显然，这两种震动的频率不同，因为蜘蛛丝和空气的阻尼不同。

　　当Thomas等人研究了蜘蛛丝的微观结构后发现，拉伸或者放松蛋白质链会改变材料的声学特性。他们还能够通过改变丝纤维的张力进而改变蜘蛛丝的能隙。通过扭转蜘蛛丝还能使它获得热特性。

　　Thomas解释道：“声子晶体让你能够拥有控制声波的能力，如果声音足够小频率足够高就会产生热。通过这种方式产生热流动，这就意味着你将一种非热绝缘材料转化成了热绝缘材料。”

　　这个研究不仅发现了声子晶体中的结构周期性，还提供了一种关于带隙形成的新的设计思路。比如，通过在纳米尺度上裁剪同轴机械各向异性来设计可调仿生超声带隙材料。听不懂啊，我再换个说法。1，开拓材料的非线性;2，裁剪结构的各向异性;1+2可能成为一个新的设计范例，这个范例用来干嘛?用来得到新型动态表现。

　　理解蜘蛛丝中超声声子带隙和负色散区域的非定域非线性和结构的各向异性之间的关系，对于未来设计具有类似性能的仿生可调材料来说大有裨益。蜘蛛丝的动力学结构可通过应变或超收缩来定制，同时超声声子带隙可应用在热力学管理器件中，随着声子传播减少，材料的热导率也减少。在负折射现象中负色散区域显示出在声波超级镜片领域的巨大潜力。人们通过聚焦超声波可能突破衍射限制，制造出具有更好细节的声学图像，而不仅仅是具有入射声波波长。此外，蜘蛛丝的生物相容性和生物课降解性提供了一个超赞的助力来提升他们在生物医学领域的应用。

　　然而尽管蛛丝的超声声子性质对于动态材料来说非常具有吸引力，但是在材料的批量加工方面仍具有很大的挑战。大量养殖蜘蛛是很困难的，因为他们一个个全是吃货，自己同类也吃。此外，目前为止人们还不能指望再生合成的蛛丝显示出超声声子带隙，因为超分子结构、结构的取向、纤维的几何等材料特征还没有搞清楚。

　　来源：本文由声振之家整理，综合自热点网、煎蛋网、材料牛网。