新发现：蛛丝中的“声子禁带”

来自莱斯大学及欧洲和新加坡的科学家通过研究蛛丝的微观结构来查明其传递声子的方式（注：声子是声音的量子，具有热学特性）。他们认为这项研究成果有助于合成拥有蛛丝特性的高强度纤维材料。
根据科学家们的描述，蛛丝中的这项新发现有助于研发一种全新的材料来控制声与热，就像半导体元件控制电。
研究成果发表在Nature Materials上，研究角度定向于蛛丝的微观结构，并揭露其传播声子(即声音的准粒子)的独特方式。
该研究首次发现蛛丝有声子禁带。这意味着蛛丝可以阻止特定频率的声波，类似半导体中的电子禁带对电子的选择性阻挡。

研究者们写道，这是首次对“生物材料中的超音速声子禁带”进行观察研究。

虽然对于蜘蛛利用这些性质的方法仍有待研究，但该文章的共同作者，材料科学家莱斯大学工程院院长Edwin Thomas认为蛛丝中的微观晶体结构可以应用到聚合物中，以获得动态可控超材料，如声子波导材料，声绝缘和热绝缘材料

Thomas描述道，声音是机械波，如果材料中存在弹性模量及密度不同的区块，声波就会对此作出反应：分散。分散的具体情况则取决于分散发生处各区块的排布及连接情况。

蜘蛛擅于在蛛网中解读及发出振动，利用这种能力来锁定蛛网中的异常并确定猎物的情况。由此可推测，蛛丝应可以传递较大频谱范围的声波并能被蜘蛛以多种方式解读。但是研究人员同时发现蛛丝也能抑制一些特定的声音。

在2005年，Thomas和一位来自克里特大学、希腊电子结构所和激光滚球体育 研究基金会的材料科学家George Fytas合作于一个探明超音速声学晶体性质的项目。在该项工作中，研究人员测量材料中声音的传播情况，并在含有有序间断晶体的人工合成聚合物中发现（声子）禁带。

Thomas认为，声子晶体材料赋予了人们操控声波的能力，而当声音足够小且频率足够高时，声音近似于热。有选择地让热传递，或者完全阻挡热传递，这意味着制造一种全新的热绝缘材料成为可能。

牵引丝常被蜘蛛用于蛛网中的外框和辐线，或单独悬吊时的生命线。Fytas和Thomas决定在牵引丝上进行研究以获得更多细节。虽然蛛丝已经被人们研究了几千年，但这是首次在声学方面被用于分析研究。

蛛丝的分级结构由薄膜状的蛋白质晶体所构成。这些较坚固的蛋白质晶体由较柔软的无定形链所连接。绷紧或松弛这些链可以调节晶体间的机械连接，并使得其声学特性发生变化。

在德国美因茨的马克斯•普朗克聚合物研究学会里，Fytas的团队在不同的压力下对蛛丝进行布里渊光散射实验（BLS）。Thomas说，这就是George的聪明之处：通过布里渊光散射，光在试样中可产生或吸收声子。BLS使得他们能在不同的温度或材料微观结构下观察任何物体中声子的运动情况。

研究观察到当蛛丝被“极度压缩”时，声子运动速度降低了15%，频率禁带宽度增大了31%；相反地，当蛛丝被拉伸时，声子的运动速率增加了大约27%，禁带宽度减少了33%。当他们首次在自然情况下的蛛丝中发现禁带时，其位置大概在14.8GHz处，宽度约为5.2GHz。

研究团队还发现有一个有趣的现象：“负波团速度区域”。在这些区域中，声子波向正方向推进，而相速度却沿反方向。Thomas表示这种效应又会助于聚集超音速声子。

现在他们仍无法在其他高分子纤维材料中做到这种效果。Thomas补充道，对于合成聚合物（如尼龙）虽然已经有了大量的研究，但从未有人在其中发现（声子）禁带。

参考原文链接：Spiders spin unique phononic material: Researchers discover band gaps in spider silk

本文由编辑部张莹提供素材，梁嘉豪编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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