摘要：是一种以桑叶为食的昆虫，吐丝是其一生的主要“工作”。蚕丝以其柔软和生物相容性好等特性，频繁出现在我们生活中的各个角落。

原创 一言科普团队 科普中国

蚕，是一种以桑叶为食的昆虫，吐丝是其一生的主要“工作”。蚕丝以其柔软和生物相容性好等特性，频繁出现在我们生活中的各个角落。

蚕茧。图片来源：图虫创意

2024 年 10 月 14 日，中国科学家在国际知名期刊《先进材料》上发表了一项关于“将碳纳米管喷洒在桑叶上喂养蚕”的研究工作，将蚕丝的拉伸强度从 1.02GPa 提升至 1.18GPa，成功地实现了碳纳米管对蚕丝力学性能的增强作用。

该项研究成果发表在《先进材料》上。图片来源：《先进材料》官网截图

那么，食用了碳纳米管的蚕宝宝，它们吐出来的蚕丝，有什么特别用处呢？

我们一起来了解一下吧！

春蚕到死丝方尽？

蚕吐丝原来是这样的！

大多数人小时候都有饲养蚕宝宝的经历，从细芝麻粒大小的蚕卵到质量膨胀至数千倍的蚕茧，只需二三十天的时间，并且整个过程只需喂养桑叶。蚕的一生经过卵、幼虫、蛹、成虫等阶段，吐丝过程发生在幼虫到蛹期间。

蚕的生命周期（卵-刚孵化的幼崽-幼虫-蛹-成虫）。图片来源：图虫创意

蚕吐丝是自我保护的一种方式，发育到蚕蛹阶段的蚕不再进食，行动能力变弱，容易受到天敌的伤害，而由蚕丝组成的蚕茧为蚕提供了一个“安全屋”，蚕可以在里面安心地发育。

蚕吐丝还是蚕自我“解毒”的过程，蚕在幼虫时期会食用大量的桑叶，而桑叶本身含有多种氨基酸，其在蚕体内积累过多会导致蚕中毒，因此蚕吐丝的过程也是排出体内过多氨基酸的过程。

蚕茧内的蚕蛹。图片来源：图虫创意

既然蚕吐丝能够排出多余的氨基酸，那么蚕丝一定是由蛋白质组成的。丝素和丝胶是蚕丝中含量较多的两种蛋白质，丝素是组成蚕丝纤维的主要结构材料，丝胶包裹在丝素外，具有保护丝素的作用。此外，蚕丝中通常还含有少量的蜡质、脂肪、微量元素等。

蚕丝是天然的长纤维，其平均长度可达 1000 米，可以直接用来织造。蚕丝还具有纤细柔软、亲肤性好等特点，被列入高档纺织原料，更是被誉为“纤维皇后”。

农贸市场出售的彩色丝巾。图片来源：图虫创意

蚕丝在丝绸等织物领域的应用已经很广泛，但是由于其力学性能较差，在高端领域如运动器材、航天织物等的应用还有些“力不从心”。

碳纳米管是什么？

居然能喂食蚕宝宝！

碳纳米管（CNTs）是一种由碳原子组成的新型纳米材料，具有独特的中空纳米结构，可以被看作是石墨烯卷曲成的管状结构。碳纳米管的尺寸小，直径在几纳米到数百纳米，是人类头发丝的几十万分之一。

纳米管结构示意图。图片来源：图虫创意

在电学性能方面，碳纳米管展现出优异的导电性，可以用于开发新型的电子器件，如场效应晶体管（FETs）和超级电容器。高电子迁移率和热导率也使其在电子设备散热方面具有潜在的应用价值。

碳纳米管还具有优异的力学性能，其强度和韧性极高，抗拉强度是钢铁的数倍，同时具有很低的密度。这使得碳纳米管在复合材料领域具有巨大的应用前景，尤其是在航空航天和汽车制造领域用于制造更轻、更强的材料。

蚕宝宝是这样吃碳纳米管的！

蚕主要以桑叶为食，对于碳纳米管这种“新鲜”食物，蚕宝宝爱吃吗？

研究者将直径小于 10 纳米，长度小于 15 微米的碳纳米管分散在水中，为防止碳纳米管“团聚”影响蚕的“食欲”，研究者利用木质素磺酸钙（表面活性剂）提高碳纳米管在水中的分散均匀性，制备成均匀的溶液，喷洒在新鲜的桑叶上，供蚕宝宝享用。

利用碳纳米管喂食蚕，结合强制缫丝，制备强丝纤维的示意图。图片来源：参考文献[1]

此外，给蚕宝宝喂食碳纳米管的时机也非常关键。研究者从蚕五龄幼虫第二天开始，给蚕宝宝喂食喷涂有碳纳米管分散液的桑叶。因为该阶段的蚕开始在丝腺中产生丝浆液，碳纳米管可以更好地融入丝浆液中，并且在这一阶段，蚕对饮食变化的适应能力更强。

一卷制备出的强丝纤维。图片来源：参考文献[1]

为了验证碳纳米管是否能成功“融入”蚕丝，研究者将蚕喂食碳纳米管后吐出的丝进行脱胶和清洗，然后将其溶解，并且利用拉曼光谱和高分辨透射电镜对过滤的残留物进行表征，通过对碳纳米管的特征峰和其轮廓特征的识别，验证了碳纳米管已成功掺杂在蚕丝中。

通过对蚕丝在不同缫丝速度条件下的对比，喂食碳纳米管的蚕吐出的丝在 120 毫米/每秒的缫丝速度下的拉伸强度可以达到 1.18GPa，相当于用一根头发丝吊起一个手机，高于未喂食碳纳米管的对照组。

用单根强丝纤维可吊起一只重约 6 克的蜘蛛。图片来源：参考文献[1]

强丝纤维的应用有哪些？

这种“增强蚕丝”具有高强度的特性，有望实现在高端领域的天然高强度纤维的应用。在耐久防护织物领域，这种蚕丝可以用于制造更轻、更强的防护装备；在生物医学领域，还可以作为可生物降解的医学植入物，减少患者对传统金属植入物的依赖。

航天服装。图片来源：图虫创意

此外，尽管碳纳米管添加的蚕丝本身可能没有导电性，但是高温处理后的蚕丝导电性会明显增强。

相关研究表明，将碳纳米管和石墨烯共同添加的蚕丝经过一千余摄氏度的高温处理后，蚕丝的电导率提高 10 倍，为其在环保型可穿戴电子设备等领域的应用提供了可能。

强丝纤维能大规模生产吗？

蚕从幼虫到吐丝，大约需要三十天左右的时间，产丝量与饲养的规模有关。蚕是植食性昆虫，与蜘蛛不同的是，蚕不会发生同类相食的现象，并且可通过科学化管理和规模化养殖实现高效养蚕。

据统计，中国每年的蚕茧产量约七十余万吨，生丝产量约十余万吨，占全世界蚕丝产量的 70% 左右。随着养蚕技术越来越成熟，蚕丝产量还在逐年递增。

尽管碳纳米管喂食蚕的技术还处于起步阶段，但是随着养殖技术的创新发展，有望匹配现有的“增强蚕丝”生产规模。也就是说，距离我们实现碳纳米管掺杂的蚕丝应用，日子不远了。

结语

自然界中存在很多天然原料，不仅为我们的日常生活提供了诸多便利，还在科学和技术的发展中扮演着重要角色。

未来，我们将对这些材料的理解更加深入，相关应用技术也将不断提高，它们会在我们生活中发挥意想不到的重要作用，帮助我们构建一个更加环保、高效和可持续的生活环境。

参考文献

[1]Lu H J , Jian M Q, Liang X P, et al. Strong Silkworm Silk Fibers through CNT-Feeding and Forced Reeling[J]. Advanced Materials, 2024.

[2]Wang Q, Wang C, Zhang M, et al. Feeding Single-Walled Carbon Nanotubes or Graphene to Silkworms for Reinforced Silk Fibers[J]. Nano Letters, 2016.

[3]李瑞,沈卫德,田小平,等. 大规模养蚕综合技术体系及其经济效果的研究[J].蚕业科学, 2006.

[4]诸星静次郎.蚕的发育生理[M].农业出版社,1981.

[5]张威.蚕吐平面丝的饲养技术[J].农家顾问, 1998.

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作者丨一言科普团队

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来源：澎湃新闻客户端