生物擬態(tài)纖維悄悄走近我們

　　世界上大多數(shù)合成纖維材料，包括人造纖維都是依靠科學探索開發(fā)出來，當然也有通過偶然發(fā)現(xiàn)而獲得的技術(shù)。但是，利用天然材料經(jīng)生物自然加工而獲得的卻鮮為人知，生物擬態(tài)纖維正在悄無聲息的走近我們的生活。

　　植物通過光合作用產(chǎn)生碳水化合物而形成合成植物纖維，也吸收了空氣中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水與光合作用下生成纖維素。其纖維橫截面由復(fù)雜的多種結(jié)構(gòu)組成，這種纖維素具有相似性。纖維科學家將其定義為“二氧化碳纖維”。這就是說，我們一旦了解更多自然知識，我們就可以避免使用化石能源制造人造纖維，而創(chuàng)造一種環(huán)境友好型的生物纖維已成為一種可能。

　　許多世紀前，家養(yǎng)蠶絲就已出現(xiàn)。這種化學纖維擬態(tài)絲有人類培養(yǎng)許多年后，其價值仍然不可磨滅;隨后，人們發(fā)現(xiàn)木質(zhì)漿具有可溶性，還可濕紡加工。而人造絲與木質(zhì)纖維具有纖維素同樣的結(jié)構(gòu)。隨之，尼龍又出現(xiàn)了。尼龍是人類模仿天然纖維的杰作，它本身具有類似的氨基酸化合物的性質(zhì)。50年后，混紡加工技術(shù)出現(xiàn)，合成纖維漸漸成為我們的時尚，也形成一種開發(fā)方式。隨之，聚酯纖維以標新立異的固有特征使其他人造纖維刮目相看，也與人造絲形成鮮明的對比。然而，卻不是所有的絲織特征可以替代天然的再樹結(jié)構(gòu)。例如，光澤特征、吸濕特征、可染特征并沒有完全盡人意的模仿出來。例如，菊花的所有有機要素，如醣類、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等均含碳元素。光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。據(jù)稱，每年全世界約有2000億噸碳元素因光合作用被植物從空氣中吸收。其中植物就包含了空氣和植物中水分子中的二氧化碳，將其轉(zhuǎn)化為植物醣類。

　　光合作用使植物需要更多能量。植物糖類含高于其他簡單化合物，其能量主要來源于光的吸收，即葉綠素和類胡蘿卜素的生成，而植物不僅能生成糖類，而且其化合物可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)性材料，如纖維素和蛋白質(zhì)。這種轉(zhuǎn)換要求更多能量，這一趨勢又使其分解具有高能量的醣類。在氧化作用下，它再次生成二氧化碳和水。這種能量釋出和轉(zhuǎn)換過程被看作植物呼吸與生長的過程，類似于動物的呼吸。而光合作用使植物獲得能量后以糖類的形式儲存下來。日本農(nóng)業(yè)生物科學研究所(NIAS)馬越博士(DrJ.Magoshi)認為，蠶絲的形成經(jīng)歷了這個機械過程，而這個過程在所有動植物體內(nèi)都會產(chǎn)生。也就是說，所有動植物都可以成為擬態(tài)生物纖維的“工廠”。

　　眾所周知，家蠶不是真正的吐絲，而是從口中拉出絲，靠移動編織蠶繭。家蠶可以將蠶絲蛋白固定在平面上。如果能給家蠶下“命令”，它們或許能按照人類的指令，直接給人“紡織”衣服，而省掉了織布這一過程。這與我們傳統(tǒng)的人造纖維紡織大相徑庭，事實上，天然絲纖維要比人造纖維更有伸縮性，絲纖維的隔熱性能、手感、吸濕性都要好于合成纖維。并且，絲纖維具有很好的功能性，甚至可以設(shè)計更多的人造功能。

　　在過去，人們并不知道，家蠶是怎樣通過食用桑葉而制造蠶絲的。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，那是因為桑葉被消化后形成氨基酸，然后形成絲腺。就這樣，分層的絲蛋白就在蠶子的肚子里形成，然后又通過絲腺鈣離子形成膠質(zhì)蛋白絲，而凝膠體又通過吸收空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為溶膠，最終變?yōu)橐簯B(tài)水晶體，蠶子邊移動一邊拉出口中的液態(tài)水晶體而形成蠶絲。這個過程與人類合成纖維的生產(chǎn)大同小異。

　　其實，當提及動物纖維時，人類沒有真正理解自己的毛發(fā)和羊毛生長的過程。人類毛發(fā)和羊毛的生長都是一個氨基酸的聚合過程。倘若毛發(fā)在形成過程中，聚合體相互纏繞，形成新的合成纖維，那么聚合體就會形成一種熔體并儲存下來，然后從皮膚里冒出來。這個過程可以讓我們明白，其實這也是一個人造絲的過程。若能真正模仿這種生物動態(tài)，那么人類就可以不斷創(chuàng)造無數(shù)種擬態(tài)纖維。目前，世界上已有許多纖維公司把角觸伸向人類毛發(fā)生成原理。現(xiàn)代生物技術(shù)可以讓頭發(fā)按照人類預(yù)期的形狀在活體內(nèi)生長。倘若人發(fā)能夠復(fù)制，那么羊毛也可以用未來的生物擬態(tài)技術(shù)合成出來。

　　蜘蛛絲是另一有趣的纖維材料。這種動物性纖維具有很強的韌性，它可以任意伸長。為了使自身產(chǎn)絲更能有效的捕捉到昆蟲，蜘蛛往往會自動的將絲中的養(yǎng)分加以調(diào)整，使其絲的強度能讓纖維絲以蜘蛛網(wǎng)的軸心看齊。當蛛絲一邊被拉伸時，其韌度卻在由中心到邊緣加大。蜘蛛絲的韌度相當于凱夫拉爾纖維，其延伸性或抗斷斷裂性高于凱夫拉爾35%。因此，其經(jīng)緯黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆蟲。但是，當蜘蛛移動時，蜘蛛網(wǎng)上的黏度卻不會粘住它。這就是大自然的奇妙。世界頂尖級纖維科學家因此對蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)十分感興趣。他們希望能解釋蜘蛛絲結(jié)構(gòu)的物理屬性，從而開發(fā)像蜘蛛絲一樣的擬態(tài)非均勻性智能化纖維材料。這或許成為未來開發(fā)新纖維材料的關(guān)鍵所在。這樣的生物擬態(tài)應(yīng)用信息，確定無疑，將成為今后新型化學纖維誕生的溫床。未來的生物擬態(tài)技術(shù)可利用動植物體內(nèi)的均質(zhì)物質(zhì)和非均質(zhì)物質(zhì)開發(fā)多種生物纖維，以滿足人類更多需求。例如，模仿生物的功能即可強化液晶蛋白纖維的強度。使用這樣的纖維材料紡織物，可使人類在炎熱的沙漠地帶都免受強光的照射和熾熱高溫的危害。

　　當然，除了動物纖維，人類也可以利用植物纖維的擬態(tài)開發(fā)纖維種類。例如，竹子纖維是一種天然的強化型復(fù)合材料。其橫斷面顯示其具有豐富的纖維素材料，而外部堅硬且密度高，其非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)可幫助人類抵御高寒和強風的襲擊。日本東京理工學院教授菊谷先生(T.Kikutani)成功的合成了一種同等密度的竹類生物擬態(tài)，這種材料擁有極高強度、高韌度、高系數(shù)，因此成為市場需求最迫切的產(chǎn)品。

　　為了探索聚合體材料的理想功能，人類還需要在聚合體分子量和減少分子結(jié)構(gòu)缺陷上下工夫。而與之相適應(yīng)的新型紡紗加工技術(shù)則成為創(chuàng)新者的另一挑戰(zhàn)。因為，未來的生物擬態(tài)已不再是傳統(tǒng)意義上的紡織，而是利用分子導(dǎo)向控制以實現(xiàn)預(yù)設(shè)的纖維紡織精準度。

　　在自然界，單體蛋白質(zhì)分子量超過200萬，但聚酰胺的合成分子量最多為20萬。因此，通過自然合成高分子聚合物并制造高自旋為導(dǎo)向的纖維產(chǎn)品將會逐步取代現(xiàn)行的纖維生產(chǎn)方式。

　　這樣看來，人類要模擬家蠶制造纖維已不再是天方夜譚，人類利用高新技術(shù)手段即可精準的到達這一目的。而非均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料似乎將成為開發(fā)智能化纖維的關(guān)鍵性所在。目前，世界上一些發(fā)達國家已開始利用高科技手段開發(fā)生物紡紗“工廠”。他們將按商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)出生物纖維品，以取代石油化纖。