南开刘遵峰/东华朱美芳院士/中国药大周湘，重磅Nature子刊！

第一作者：Wenqian He

通讯作者：刘遵峰，周翔，朱美芳

通讯单位：南开大学、中国药科大学、东华大学

论文速览

蜘蛛丝以其卓越的高强度和韧性组合而闻名，这源于纺丝过程中由蛋白质肽链组装成的层级结构。

在本研究中，通过优化聚合物链的柔韧性，建立了超细纳米纤维，从而在聚电解质人工蜘蛛丝中展现了介于1.83 GPa和238 MJ m^-3到0.53 GPa和700 MJ m^-3之间的断裂强度和韧性的组合。

这是通过引入离子来控制聚合物链的解离，并在外部应力下的蒸发诱导自组装实现的。此外，人工蜘蛛丝具有热驱动的超收缩能力。本研究为设计高性能纤维材料提供了灵感。

图文导读

图1：通过调节聚合物链的解离程度来建立聚电解质人工蜘蛛丝的超细纳米纤维。通过粗粒化分子动力学模拟显示，随着解离程度α的增加，聚合物链簇从多分支形状转变为高度解离的状态。

图2：通过扫描电子显微镜(SEM)图像展示了不同解离程度α值下PAF表面微带的演变，以及PAF_α的断裂应力、断裂应变和韧性的比较。

图3：通过原子力显微镜(AFM)相位图像和偏振光显微镜(POM)图像展示了PAF_α的不同α值下的纳米纤维结构和分子链的取向度，以及通过二维小角X射线散射(2D SAXS)和二维广角X射线散射(2D WAXS)对纳米纤维的取向度进行量化。

图4：展示了PAF_α基人工蜘蛛丝的驱动性能，包括在不同α值下加热前后的形态变化、驱动应变、工作能力和分子链取向度的依赖性。

总结展望

本研究通过精确控制分子链在纳米结构中的自组装，成功制备了具有超细纳米纤维的聚电解质人工蜘蛛丝。

通过调节聚合物链的解离程度，实现了从1.83 GPa和238 MJ m^-3到0.53 GPa和700 MJ m^-3的优异的可调力学性能。此外，所制备的人工蜘蛛丝展现出了热驱动的超收缩行为，这为其在软机器人、柔性电子和智能设备中作为高性能、智能纤维的应用提供了设计策略。

研究还发现，适当的解离程度范围有利于形成精细的纳米纤维，从而获得最佳的力学性能。这项工作不仅为高性能纤维材料的设计提供了新的思路，而且为3D打印、仿生智能材料和层级结构材料的设计可能性提供了启发。

文献信息

标题：Establishing superﬁne nanoﬁbrils for robust polyelectrolyte artiﬁcial spider silk and powerful artiﬁcial muscles

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47796-2

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