當(dāng)中國人發(fā)明絲綢時，人們便開始驚嘆于它優(yōu)異的品質(zhì)性能。在過去，絲綢僅僅只是皇親國戚和達(dá)官貴人的專利，封建王朝兩千多年來，絲綢的生產(chǎn)都是高度機(jī)密。

    直至如今，美國麻省理工學(xué)院和塔夫斯大學(xué)的研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)了絲綢隱藏的奧秘，他們稱其為蠶絲納米纖維，即通過精準(zhǔn)地提取和再組裝，將絲綢加工成性能優(yōu)異的過濾膜。這種新型的絲織過濾技術(shù)以“Ultrathin Free-Standing Bombyx mori Silk Nanofibril Membranes”為題在期刊Nano Letter上發(fā)表。

    這篇文章向我們描繪了蠶絲納米纖維（一種至關(guān)重要的納米級蠶絲結(jié)構(gòu)單元）為何能夠使得新型生態(tài)過濾器與傳統(tǒng)商業(yè)產(chǎn)品相比，更加高效廉價和綠色。這一發(fā)現(xiàn)對新型過濾膜的用戶（包括水處理企業(yè)、食品生產(chǎn)加工企業(yè)和生命科學(xué)組織）而言，意味著更新的生產(chǎn)手段和經(jīng)濟(jì)供應(yīng)鏈。

    Ling說：“最近人們又重新開始關(guān)注這種超薄過濾膜的發(fā)展。這種膜能夠最大限度的使得需要留存的分子或者是雜質(zhì)流過，從而達(dá)到將物質(zhì)從液體中分離出來的需求。生產(chǎn)這種新型超薄材料，如何在既保有恒定機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異分離性能同時，又能夠降低生產(chǎn)設(shè)備的投入，是我們一直面臨的挑戰(zhàn)。絲纖蛋白不含有多孔結(jié)構(gòu)，并且若不進(jìn)行預(yù)處理還會溶解在水中，所以生產(chǎn)蠶絲蛋白的性價比并不高，因此我們采用蠶絲納米纖維的方法。”

    巨大挑戰(zhàn)

    研究團(tuán)隊花費(fèi)數(shù)月時間不停的分析討論、改進(jìn)方案、進(jìn)行實驗。他們最大的挑戰(zhàn)之一，就是要努力尋找一種合適的溶液，這種溶液能夠?qū)⑿Q絲纖維溶解成最基本的化合物，但又不能破壞樣品的完整。

    經(jīng)過土木、生物醫(yī)學(xué)、計算工程、材料科學(xué)等科學(xué)的共同合作努力，他們找到了關(guān)于這個新型超薄過濾膜的解決方案，并且還提出了具有創(chuàng)新意義和超前的生產(chǎn)技術(shù)。

    “小強(qiáng)”：小而強(qiáng)大

    天然蠶絲纖維是由純蛋白質(zhì)構(gòu)成的，人們熟知其優(yōu)異的輕薄性、高強(qiáng)度和耐用性等，研究者將蠶絲從家養(yǎng)蠶身上剝離下來制成蠶絲納米纖維。蠶絲納米纖維的獨(dú)特特性能，夠使得新型濾膜維持其精妙的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的物理性能。

    過去提取或預(yù)處理納米纖維的方法并不總是奏效。研究者通過四步獨(dú)特的方法就能夠有效的克服之前的障礙。前兩個步驟是通過脫膠、水洗、干燥、在恒溫中培育的方式，將蠶絲納米纖維從絲纖維上剝離下來，而在其放入去離子水中之前，攪拌或者震蕩以除去其中沒有溶解的蠶絲。第三步是使用超聲將蠶絲納米纖維提取出來，這樣得到的蠶絲納米纖維能夠保持穩(wěn)定超過數(shù)月。掃描電子顯微圖像表明，蠶絲納米纖維的直徑和伸直長度同單條線性納米纖維的直徑近似。在最后一步和最終的過程中，他們通過利用真空過濾過程將蠶絲納米纖維組裝成超薄薄膜。

    當(dāng)薄膜性的三個重要性能指標(biāo)達(dá)到或超過預(yù)期時，研究便取得了成功。這三個性能指標(biāo)分別是：厚度（40-1500納米，具有12-8納米的縮小孔徑），優(yōu)異的水滲透性能（通量），和對絕大多數(shù)染料、蛋白質(zhì)和納米粒子等都有效的廣譜分離性能。所有的這些機(jī)械優(yōu)勢對這個產(chǎn)業(yè)都是至關(guān)重要的，尤其是壓力驅(qū)動過濾，甚至是應(yīng)用高壓的操作。

    無論是凈化污水以供飲用還是過濾人體中微小的血凝塊，這種新型的絲織物薄膜都提供了極其先進(jìn)的操作效率。和每片1.20美元的商業(yè)過濾薄膜相比較，一片蠶絲納米纖維薄膜平均僅需0.05-0.51美元。

    蠶絲納米纖維在制造業(yè)同樣也還有其他重要的收益。作為蠶的副產(chǎn)品，創(chuàng)新型廠家能夠利用蠶絲的天然特性提高其工業(yè)生態(tài)環(huán)境并且降低環(huán)保壓力。一旦過濾器被取代，被取代的過濾器是能夠進(jìn)行生物降解的，不會對環(huán)境造成長久的影響。

    注重細(xì)節(jié)

    控制薄膜的厚度和微孔孔徑分布對過濾器工作效率來說是相當(dāng)重要的，所以研究者在實驗室中就要確保得到相互連通的薄膜微孔是一致的，也不能有裂縫或者針孔。

    此外，研究團(tuán)隊還指出，新型薄膜對蛋白質(zhì)和金納米粒子在液體中的阻隔性高相似厚度的其他薄膜。而蛋白質(zhì)分子、膠體、納米粒子、小分子、離子等都會用作評估新型薄膜過濾的尺寸選擇性。

    研究結(jié)果表明，這種薄膜還具有非凡的柔韌性性、易用性和持續(xù)性。比如，新型薄膜可以直接移除而不需要粘附在支撐襯底上；它分布均勻，表面結(jié)構(gòu)色透明，剪切彎曲也不受損害；最重要的是，它不會溶解在水中此外，由于中性pH值時蠶絲納米纖維帶負(fù)電荷，所以通過靜電相互薄膜能夠吸附更多帶正電荷的分子。

    布朗大學(xué)化學(xué)系Kristie J. Koski教授表示：這種天然蠶絲薄膜卓越的分離效率和當(dāng)前的合成工藝已處于同等水平。作為一種無毒、柔韌性好、易于調(diào)控的薄膜，蠶絲納米纖維薄膜在凈化與循環(huán)領(lǐng)域有很大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是?dāng)合成替代品在生態(tài)系統(tǒng)中不是一個很好選擇的時候，蠶絲納米纖維會得到更加廣泛的應(yīng)用。

    德國拜羅伊特大學(xué)Thomas Scheibel教授補(bǔ)充說道：“過濾效率是過濾材料最重要的參數(shù)之一，而這項指標(biāo)又主要是受制于過濾材料的結(jié)構(gòu)。納米蠶絲過濾器始終是飽滿的，因此能夠確保其保留非常小的粒子。在此基礎(chǔ)上，新型過濾設(shè)備應(yīng)該降低在水還有空氣中的總能量消耗，或者要比現(xiàn)有的過濾設(shè)備過濾效率更高。”

    這個團(tuán)隊對蠶絲隱蔽秘密的探索和發(fā)現(xiàn)，能夠像絲綢一樣，在很多方面推動人類文明的進(jìn)程。