在常规的化学纤维生产中，聚合物通过高温或有机溶剂溶解，在高压下挤出，再通过高温或有机溶剂凝固成纤维。而蚕宝宝则能在常温下吐出原本为液体的蚕丝。如果能够模仿蚕宝宝的纤维生产方法，就有望开发出更加环保、高效节能的纺丝技术，但目前还未能实现。原因之一就是，人类尚不清楚蚕是如何在瞬间将水溶液形成固体纤维的。福井大学工学系部门副教授铃木悠、横滨国立大学名誉教授内藤晶、东京农工大学工学部特任教授（研究当时）朝仓哲郎等组成的联合研究团队利用蚕的天然丝水溶液，成功地实时跟踪了在压力作用下从纤维化前到纤维化后的蚕丝结构变化情况。相关研究成果已发表在《Journal of the American Chemical Society》上。
（供图：福井大学）
联合研究团队重点研究了蚕的丝口施加的压力，这是蚕丝从水溶液转化为纤维的重要部位。针对存在于蚕体内的天然丝水溶液，研究人员通过固态NMR（核磁共振波谱法）测定法实时跟踪了蚕丝水溶液在压力下从纤维化前的结构（SilkI）转变为纤维化后结构（SilkⅡ）的过程。
使用固态NMR测量，为了获得高分辨率频谱图，需要使样品管在测定过程中高速旋转（魔角旋转）。此次，研究人员利用魔角旋转对测定样品施加了离心力衍生的压力，成功地实时跟踪了蚕丝分子在压力下的结构转变。
图2：（a）不同魔角旋转速度下蚕丝结构转变速度的变化。旋转速度越大，也即压力越大，蚕丝结构的转变就越快。（b）本次研究揭示的蚕丝分子在压力下的结构转变原理示意图。研究人员提出了Silk II生长模型：由Silk I形成单层片状（Lamellar）构造，单层片状构造和Silk II作为自催化剂，使得Silk I转变为Silk II。（供图：福井大学）
接下来，研究人员通过交替反复测定能够区分观察运动性相对较低成分和运动性较高成分，成功追踪了SilkⅠ和SilkⅡ的结构转变。结果表明，在蚕丝结构转变过程中存在一种中间体，并提出这种中间体为单层片状结构。
实时监测纤维化后结构的强度变化发现，结构转变由ragtime（结片时间）和Fibril（原纤维生长）两个阶段构成。此外，ragtime随着压力的增加而缩短，且原纤维生长速度变快，这表明结构转变的速度与压力有关。
此次研究结果表明，压力引起的蚕丝结构转变可以用两步自催化反应机制来解释。
此次是人类首次通过实验证明：在蚕宝宝的纤维生产过程中，除了剪应力和张力之外，压力也是形成纤维的重要因素。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of the American Chemical Society
论文：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
