在常規的化學纖維生產中，聚合物通過高溫或有機溶劑溶解，在高壓下擠出，再通過高溫或有機溶劑凝固成纖維。而蠶寶寶則能在常溫下吐出原本為液體的蠶絲。如果能夠模仿蠶寶寶的纖維生產方法，就有望開發出更加環保、高效節能的紡絲技術，但目前還未能實現。原因之一就是，人類尚不清楚蠶是如何在瞬間將水溶液形成固體纖維的。福井大學工學系部門副教授鈴木悠、橫濱國立大學名譽教授內藤晶、東京農工大學工學部特任教授（研究當時）朝倉哲郎等組成的聯合研究團隊利用蠶的天然絲水溶液，成功地實時跟蹤了在壓力作用下從纖維化前到纖維化后的蠶絲結構變化情況。相關研究成果已發表在《Journal of the American Chemical Society》上。
（供圖：福井大學）
聯合研究團隊重點研究了蠶的絲口施加的壓力，這是蠶絲從水溶液轉化為纖維的重要部位。針對存在于蠶體內的天然絲水溶液，研究人員通過固態NMR（核磁共振波譜法）測定法實時跟蹤了蠶絲水溶液在壓力下從纖維化前的結構（SilkI）轉變為纖維化后結構（SilkⅡ）的過程。
使用固態NMR測量，為了獲得高分辨率頻譜圖，需要使樣品管在測定過程中高速旋轉（魔角旋轉）。此次，研究人員利用魔角旋轉對測定樣品施加了離心力衍生的壓力，成功地實時跟蹤了蠶絲分子在壓力下的結構轉變。
圖2：（a）不同魔角旋轉速度下蠶絲結構轉變速度的變化。旋轉速度越大，也即壓力越大，蠶絲結構的轉變就越快。（b）本次研究揭示的蠶絲分子在壓力下的結構轉變原理示意圖。研究人員提出了Silk II生長模型：由Silk I形成單層片狀（Lamellar）構造，單層片狀構造和Silk II作為自催化劑，使得Silk I轉變為Silk II。（供圖：福井大學）
接下來，研究人員通過交替反復測定能夠區分觀察運動性相對較低成分和運動性較高成分，成功追蹤了SilkⅠ和SilkⅡ的結構轉變。結果表明，在蠶絲結構轉變過程中存在一種中間體，并提出這種中間體為單層片狀結構。
實時監測纖維化后結構的強度變化發現，結構轉變由ragtime（結片時間）和Fibril（原纖維生長）兩個階段構成。此外，ragtime隨著壓力的增加而縮短，且原纖維生長速度變快，這表明結構轉變的速度與壓力有關。
此次研究結果表明，壓力引起的蠶絲結構轉變可以用兩步自催化反應機制來解釋。
此次是人類首次通過實驗證明：在蠶寶寶的纖維生產過程中，除了剪應力和張力之外，壓力也是形成纖維的重要因素。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文信息】
雜志：Journal of the American Chemical Society
論文：Real-Time Monitoring of the Structural Transition of Bombyx mori Liquid Silk under Pressure by Solid-State NMR
DOI： doi.org/10.1021/jacs.3c04361
