新一代功能材料！天然蚕丝与纳米管相结合产生的复合膜

RSF-CNT复合膜在微波和蒸气处理过程中所表现出的结构变化示意图。图片来源：NanoProduct Lab

家蚕生产的蚕丝纤维被誉为轻便奢华的材料，至今已有几千年的历史，蚕丝是熟蚕结茧时所分泌丝液凝固而成的连续长纤维，是一种天然纤维。虽然尼龙和聚酯这样的合成聚合物比较便宜，但它们与丝绸的天然品质和机械性能难以相比。根据匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究，丝绸与碳纳米管的结合可能产生新一代的生物医疗设备和瞬态、可生物降解电子设备。

这项研究“利用碳纳米管与丝素膜的分子相互作用和透明生物降解器件的选择性加热促进丝素膜的富螺旋结构”（Promoting Helix-Rich Structure in Silk Fibroin Films through Molecular Interactions with Carbon Nanotubes and Selective Heating for Transparent Biodegradable Devices）发表在10月26日的美国化学学会杂志《应用纳米材料》“Nano Materials”的封面上。

“丝绸是一种非常有趣的材料。它由天然纤维制成，几千年来人类一直使用天然纤维来制造高品质的纺织品，但是我们作为工程师，最近已经开始认识到丝绸的潜力，因为它具有独特的生物相容性、生物降解性，在许多新兴的领域，例如柔性生物电子领域，具有很大的潜力。斯旺森学院工业工程助理教授、论文主要作者Mostafa Bedewy指出：“丝绸还具有很好的柔性。”问题是，如果我们想在这种应用中使用丝绸，我们不希望它以纤维的形式存在。相反，我们希望它是再生丝蛋白，这种膜形式具有我们所需的光学、机械和化学性质。”

正如作者在视频中所解释的，这些再生丝素蛋白(RSF)在水中通常是化学不稳定的，并且由于难以精确控制RSF膜中丝素蛋白的分子结构，因此机械性能较差。Bedewy和他的纳米产品实验室小组也广泛研究了碳纳米管（CNT），他们认为也许纳米管和纤维蛋白之间的分子相互作用能够“调节”RSF蛋白的结构。

“碳纳米管一个有趣的方面是，当它们分散在聚合物基体中并暴露于微波辐射时，它们会局部加热，”Bedewy博士解释说。所以我们想知道我们是否可以利用这种独特的现象在“RSF-CNT”复合材料中，CNT周围的丝素结构上产生期望的转变。

根据Bedewy博士的说法，微波辐射加上溶剂蒸气处理为蛋白质结构提供了独特的控制机制，这种机制产生了可与合成聚合物相比的柔性透明薄膜，但是这种薄膜更加可持续而且可降解。这些RSF-CNT膜具有在柔性电子、生物医疗设备和瞬态电子器件(例如传感器)中使用的潜力，这种描述的瞬态电子器件将在身体内部使用一定的期望周期，然后自然溶解。

Bedewy博士说：“我们对进一步推进这项工作感到兴奋，因为我们期待着开发这些独特功能材料的相关技术。”从科学的角度来看，关于纳米管表面官能化与蛋白质分子之间的分子相互作用还有很多需要理解的地方。从工程角度出发，我们希望开发可伸缩的制造工艺，用于将天然蚕茧取出，并把它们转变成用于下一代可穿戴和可植入电子设备的功能薄膜。”