未来时尚:生物拟态纤维

世界上大多数合成纤维材料,包括人造纤维都是依靠科学探索开发出来,当然也有通过偶然发现而获得的技术。但是,利用天然材料经生物自然加工而获得的却鲜为人知,生物拟态纤维正在悄无声息地走进我们的生活。

植物通过光合作用产生碳水化合物而形成合成植物纤维,也吸收了空气中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水与光合作用下生成纤维素。其纤维横截面由复杂的多种结构组成,这种纤维素具有相似性。纤维科学家将其定义为“二氧化碳纤维”。这就是说,我们一旦了解更多自然知识,我们就可以避免使用化石能源制造人造纤维,而创造一种环境友好型的生物纤维已成为一种可能。

作为仿真丝的第一种化学纤维,人造丝出现在一个世纪前,这种化学纤维拟态丝是用木浆制成的,随后,人们发现木质浆具有可溶性,还可湿纺加工。而人造丝与木质纤维具有纤维素同样的结构。随之,尼龙又出现了。尼龙是人类模仿天然纤维的杰作。50年后,混纺加工技术出现,合成纤维渐渐成为我们的时尚,也形成一种开发方式。随之,聚酯纤维以标新立异的固有特征使其他人造纤维刮目相看,也与人造丝形成鲜明的对比。然而,却不是所有的真丝特征都可以再造的。例如,光泽特征、吸湿特征、可染特征并没有完全尽如人意地模仿出来。例如,的所有有机要素,如糖类、蛋白质、脂肪、纤维素等均含碳元素。光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。据称,每年全世界约有2000亿吨碳元素因光合作用被植物从空气中吸收。其中植物就包含了空气和植物中水分子中的二氧化碳,将其转化为植物糖类。

光合作用使植物需要更多能量。植物糖类所含能量高于其他简单化合物,其能量主要来源于光的吸收,即叶绿素和类胡萝卜素的生成,而植物不仅能生成糖类,而且其化合物可以转化为结构性材料,如纤维素和蛋白质。这种转换要求更多能量,这一趋势又使其分解具有高能量的糖类。在氧化作用下,它再次生成二氧化碳和水。这种能量释出和转换过程被看做植物呼吸与生长的过程,类似于动物的呼吸。而光合作用使植物获得能量后以糖类的形式储存下来。日本农业生物科学研究所(NIAS)马越博士(Dr J. Magoshi)认为,蚕丝的形成经历了这个机械过程,而这个过程在所有动植物体内都会产生。也就是说,所有动植物都可以成为拟态生物纤维的“工厂”。

众所周知,家蚕不是真正的吐丝,而是从口中拉出丝,靠移动编织蚕茧。家蚕可以将蚕丝蛋白固定在平面上。如果能给家蚕下“命令”,它们或许能按照人类的指令,直接给人“纺织”衣服,而省掉了织布这一过程。这与我们传统的人造纤维纺织大相径庭,事实上,天然丝纤维要比人造纤维更有伸缩性,丝纤维的隔热性能、手感、吸湿性都要好于合成纤维。并且,丝纤维具有很好的功能性,甚至可以设计更多的人造功能。

在过去,人们并不知道,家蚕是怎样通过食用桑叶而制造蚕丝的。现在发现,那是因为桑叶被消化后形成氨基酸,然后形成丝腺。就这样,分层的丝蛋白就在蚕的肚子里形成,然后又通过丝腺钙离子形成胶质蛋白丝,而凝胶体又通过吸收空气中的二氧化碳转化为溶胶,最终变为液态水晶体,蚕一边移动一边拉出口中的液态水晶体而形成蚕丝。这个过程与人类合成纤维的生产大同小异。

其实,当提及动物纤维时,人类没有真正理解自己的毛发和羊毛生长的过程。人类毛发和羊毛的生长都是一个氨基酸的聚合过程。倘若毛发在形成过程中,聚合体相互缠绕,形成新的合成纤维,那么聚合体就会形成一种溶体并储存下来,然后从皮肤里冒出来。这个过程可以让我们明白,其实这也是一个人造丝的过程。若能真正模仿这种生物动态,那么人类就可以不断创造无数种拟态纤维。目前,世界上已有许多纤维公司把触角伸向人类毛发生成原理。现代生物技术可以让头发按照人类预期的形状在活体内生长。倘若人发能够复制,那么羊毛也可以用未来的生物拟态技术合成出来。

蜘蛛丝是另一有趣的纤维材料。这种动物性纤维具有很强的韧性,它可以任意伸长。为了使自身产丝更有效地捕捉到昆虫,蜘蛛往往会自动地将丝中的养分加以调整,使其丝的强度能让纤维丝以蜘蛛网的轴心看齐。当蛛丝一边被拉伸时,其韧度却在由中心到边缘加大。蜘蛛丝的韧度相当于凯夫拉尔纤维,其延伸性或抗断裂性高于凯夫拉尔35%。因此,其经纬黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆虫。但是,当蜘蛛移动时,蜘蛛网上的黏度却不会粘住它。这就是大自然的奇妙。世界顶尖级纤维科学家因此对蜘蛛丝的结构十分感兴趣。他们希望能解释蜘蛛丝结构的物理属性,从而开发像蜘蛛丝一样的拟态非均匀性智能化纤维材料。这或许成为未来开发新纤维材料的关键所在。这样的生物拟态应用信息,确定无疑,将成为今后新型化学纤维诞生的温床。未来的生物拟态技术可利用动植物体内的均质物质和非均质物质开发多种生物纤维,以满足人类更多需求。例如,模仿生物的功能即可强化液晶蛋白纤维的强度。使用这样的纤维材料纺织物,可使人类在炎热的沙漠地带都免受强光的照射和炽热高温的危害。

当然,除了动物纤维,人类也可以利用植物纤维的拟态开发纤维种类。例如,竹子纤维是一种天然的强化型复合材料。其横断面显示具有丰富的纤维素材料,而外部坚硬且密度高,其非均质性结构可帮助人类抵御高寒和强风的袭击。日本东京理工学院教授菊谷先生(T. Kikutani)成功地合成了一种同等密度的竹类生物拟态,这种材料拥有极高强度、高韧度、高系数,因此成为市场需求最迫切的产品。

为了探索聚合体材料的理想功能,人类还需要在聚合体分子量和减少分子结构缺陷上下工夫。而与之相适应的新型纺纱加工技术则成为创新者的另一挑战。因为,未来的生物拟态已不再是传统意义上的纺织,而是利用分子导向控制以实现预设的纤维纺织精准度。

在自然界,单体蛋白质分子量超过200万,但聚酰胺的合成分子量最多为20万。因此,通过自然合成高分子聚合物并制造高自旋为导向的纤维产品将会逐步取代现行的纤维生产方式。

这样看来,人类要模拟家蚕制造纤维已不再是天方夜谭,人类利用高新技术手段即可精准地达到这一目的。而非均质结构材料似乎将成为开发智能化纤维的关键性所在。目前,世界上一些发达国家已开始利用高科技手段开发生物纺纱“工厂”。他们将按商业化规模生产出生物纤维品,以取代石油化纤。

(据印度纤维时尚刊物/industry-article/27/2607/artificial-fiber-by-biomimetics1.asp最新资料)