蜘蛛絲（Spider Silk）
蜘蛛絲（Spider Silk）
臺北市立第一女子高級中學二年級黃詩婷/臺北市立第一女子高級中學化學科江慧玉老師
蜘蛛絲的特性——強韌、輕盈、高延展性
蜘蛛絲的種類有數種，蜘蛛在結網時會按照用途使用性質不同的絲，其中又以「曳引絲」最為強韌。以拉伸強度（逐漸用力拉伸，斷裂瞬間的施力大小）來說，曳引絲為高抗拉鋼（high-tensile steel，鐵的合金）之數倍。就比強度（specific strength，抗拉強度與密度之比）而言，曳引絲大於碳纖維，亦即蜘蛛絲能以較輕的重量達到與碳纖維相當的強度。在延展性（ductility）方面，曳引絲雖然在蜘蛛絲當中屬於較不容易延伸的，其延展程度也有30％，超過尼龍。由於蜘蛛絲兼具強韌與延展性佳的特性，所以吸收撞擊的能力很高。
蜘蛛絲的結構
一般而言，形成纖維的分子越長，由於常分子彼此相互接合的部份增加，分子間作用力增強，纖維的強度也就越大。蛛絲的高強度便基於此，另外也和其組成有關。蛛絲是由一種稱為「絲蛋白」（fibroin）的蛋白質組成，在一個絲蛋白分子中有二種性質不同的組成結構：胺基酸序列非常規律的部份，以及胺基酸規則性紊亂的部份。在胺基酸序列規律的地方，分子間會彼此緊密結合形成晶體，這就是蛛絲強韌的原因。蜘蛛在吐絲時會將絲拉長，使絲蛋白分子的方向一致，分子間接觸良好，容易形成晶體部份，蛛絲也就更加強韌了。胺基酸序列紊亂處則會互相糾纏，蛛絲具有良好的延展性，就是因為該部份伸縮的緣故。
蜘蛛絲的取得
由於將蜘蛛聚集在一處時牠們會互相殘殺，無法以養蠶的方式收集蜘蛛絲，因此人工合成是取得蛛絲最主要的方法。首先，從蜘蛛身上取出製造絲蛋白的基因，再將基因嵌入細菌中培養，讓細菌製造絲蛋白。不過由於這種機因具有重複的序列，非常不安定，有時會置換為較短的分子或損壞，因此無法製造像天然蛛絲那樣長的絲蛋白分子。另外，當蜘蛛吐絲時，腹中的液態蛋白質從吐絲管擠出來，分子會整齊地排列，這對蛛絲的性質有很大的影響。但目前還不太清楚蛋白質在什麼樣的濃度及壓力下擠壓出來會形成強韌的絲。鑒於上述原因，以目前的技術來說，人工蛛絲只能達到天然曳引絲的數分之一。
蜘蛛絲的應用
蛛絲強韌、柔軟、有延展性、彈性，應用範疇相當廣泛。舉例來說，因為蛛絲是取自生物的材質，可在人體內分解，因此作為手術的縫合線時對人體危害較少。此外，藉著與其他纖維組合，能夠製造出可彌補彼此缺點的素材。與碳纖維搭配時，能形成堅韌又可吸收衝擊力的素材，製造更加堅固的防彈背心。
參考資料：
- 大崎茂芳、關山和秀，《蜘蛛絲是夢幻纖維？》，Newton量子科學雜誌，第29號，2010年3月
- 黃智華、李敏，《蜘蛛絲的分子結構與力學性能研究》，中國生物工程雜誌，第23卷第7期，2003年7月
- 蜘蛛絲- 維基百科，自由的百科全書 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%9C%98%E8%9B%9B%E7%B5%B2
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