光纤传输焊接机用激光就能“焊接”蜘蛛丝！

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蜘蛛丝是一种比蚕丝更为神奇的物质。但由于人类暂时无法驯服蜘蛛，蜘蛛丝的工业化生产暂时只是一场梦。而且，虽然现代生物科技有偷天换日的能力，它也无法让除了蜘蛛之外的任何生物产生蜘蛛丝蛋白。

所以，工业蜘蛛丝的来源只能依赖“”蜘蛛了。量少不说，而且这种“手工”式生产无法控制，也毫无标准。因此即便采集这些的蛛丝，其生产应用也是个问题。那么到底该如何使用这些与现代化生产手段不兼容的蜘蛛丝？

近日，一队来自印度的研究人员声称找到了解决这一问题的办法。他们表示，在适当的环境下，蜘蛛丝中的一种蛋白就可以放大激光的功率，让激光获得足够的能力来切割或焊接蜘蛛丝。

这种手段背后的原理叫“非线性多光子吸收”。简单来说，此效应可以让两个（或者多个）光子像一个光子一样被物质吸收，而这个“合光子”的能量为那两个（或多个）光子各自能量的总和。它之所以是非线性的，是因为合成光子的能量等于多光子光强的平方和，而不可能是分数或倍数。



此效应对于只能吸收高能量光子，却无法吸收低能量光子的材料（比如蜘蛛丝）来说十分重要。因为它可以导致正常情况下会穿透材料的光可以有效地被材料吸收，让材料分子跃迁至高能级状态。在高能级状态下，分子就可以出现荧光，化学键断裂重组，或者持续吸收能量至融化等变化。

在蜘蛛丝上，研究人员使用了“飞秒激光”（即 10-15 秒长度的激光照射），利用多光子吸收效应把能量集中引导到一个的部位。他们之所以选择飞秒，而不是更常见的“长皮秒”（10-12 秒），是因为在飞秒激光的照射下，能量可以只存储于蜘蛛丝上的目标部位，而不会扩散到其他部位而造成损伤。

在使用飞秒激光进行试验时，研究人员们发现了数个波长，可以让蜘蛛丝实现双倍，三倍，甚至四倍单个光子能量的多光子吸收效应。其中，每平方厘米 80GW（千兆瓦）的功率是基线，任何低于这个功率的激光都无法产生任何效果。而每平方厘米300GW则是上线，在这个功率及以上，激光只会把蜘蛛丝切断。当然，这个功率的激光可以用于的将蜘蛛丝切割到各种长度。

至于处于这两条线之间的激光，其功率则可以成功的让蜘蛛丝半融化，体积稍微扩大一圈；在照射偏离中心的位置时，还能让蜘蛛丝进行弯曲。通过对照射时间的控制，研究人员们可以控制弯曲的具体度数。目前，他们已经用蜘蛛丝成功做出了螺线管、弹簧、以及复杂的结扣。


图 | 激光照射过的两种蜘蛛丝结构

更厉害的是控制蜘蛛丝的融化。当蜘蛛丝在其他材料上融化并凝固后，这相当于把它“焊接”到了那个材料上。通过这种手段，研究人员成功的把蜘蛛丝焊接到了金属、玻璃、甚至凯夫拉纤维（美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品的品牌名，可用于防火）上。压力测试显示，这种焊接的强度十分接近于蜘蛛丝本身的强度。研究人员们给一面小镜子的四角焊上了蜘蛛丝，然后把蜘蛛丝焊在一个方框上，仅用这四根蜘蛛丝就把镜子悬挂了起来。

控制蜘蛛丝的技术用途十分广泛。研究人员们表示，该技术能适用于多种生物材料，比如贝壳、外骨骼、以及毛发这些容易实现量产的材料。而这，则是人们接下来的研究课题了。不过，我们不能忽略蜘蛛丝商业化基本的问题：量产。我们至今还无法大量生产蜘蛛丝。蜘蛛丝是一种比蚕丝更为神奇的物质。但由于人类暂时无法驯服蜘蛛，蜘蛛丝的工业化生产暂时只是一场梦。而且，虽然现代生物科技有偷天换日的能力，它也无法让除了蜘蛛之外的任何生物产生蜘蛛丝蛋白。

所以，工业蜘蛛丝的来源只能依赖“”蜘蛛了。量少不说，而且这种“手工”式生产无法控制，也毫无标准。因此即便采集这些的蛛丝，其生产应用也是个问题。那么到底该如何使用这些与现代化生产手段不兼容的蜘蛛丝？

近日，一队来自印度的研究人员声称找到了解决这一问题的办法。他们表示，在适当的环境下，蜘蛛丝中的一种蛋白就可以放大激光的功率，让激光获得足够的能力来切割或焊接蜘蛛丝。

这种手段背后的原理叫“非线性多光子吸收”。简单来说，此效应可以让两个（或者多个）光子像一个光子一样被物质吸收，而这个“合光子”的能量为那两个（或多个）光子各自能量的总和。它之所以是非线性的，是因为合成光子的能量等于多光子光强的平方和，而不可能是分数或倍数。



此效应对于只能吸收高能量光子，却无法吸收低能量光子的材料（比如蜘蛛丝）来说十分重要。因为它可以导致正常情况下会穿透材料的光可以有效地被材料吸收，让材料分子跃迁至高能级状态。在高能级状态下，分子就可以出现荧光，化学键断裂重组，或者持续吸收能量至融化等变化。

在蜘蛛丝上，研究人员使用了“飞秒激光”（即 10-15 秒长度的激光照射），利用多光子吸收效应把能量集中引导到一个的部位。他们之所以选择飞秒，而不是更常见的“长皮秒”（10-12 秒），是因为在飞秒激光的照射下，能量可以只存储于蜘蛛丝上的目标部位，而不会扩散到其他部位而造成损伤。

在使用飞秒激光进行试验时，研究人员们发现了数个波长，可以让蜘蛛丝实现双倍，三倍，甚至四倍单个光子能量的多光子吸收效应。其中，每平方厘米 80GW（千兆瓦）的功率是基线，任何低于这个功率的激光都无法产生任何效果。而每平方厘米300GW则是上线，在这个功率及以上，激光只会把蜘蛛丝切断。当然，这个功率的激光可以用于的将蜘蛛丝切割到各种长度。

至于处于这两条线之间的激光，其功率则可以成功的让蜘蛛丝半融化，体积稍微扩大一圈；在照射偏离中心的位置时，还能让蜘蛛丝进行弯曲。通过对照射时间的控制，研究人员们可以控制弯曲的具体度数。目前，他们已经用蜘蛛丝成功做出了螺线管、弹簧、以及复杂的结扣。


图 | 激光照射过的两种蜘蛛丝结构

更厉害的是控制蜘蛛丝的融化。当蜘蛛丝在其他材料上融化并凝固后，这相当于把它“焊接”到了那个材料上。通过这种手段，研究人员成功的把蜘蛛丝焊接到了金属、玻璃、甚至凯夫拉纤维（美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品的品牌名，可用于防火）上。压力测试显示，这种焊接的强度十分接近于蜘蛛丝本身的强度。研究人员们给一面小镜子的四角焊上了蜘蛛丝，然后把蜘蛛丝焊在一个方框上，仅用这四根蜘蛛丝就把镜子悬挂了起来。

控制蜘蛛丝的技术用途十分广泛。研究人员们表示，该技术能适用于多种生物材料，比如贝壳、外骨骼、以及毛发这些容易实现量产的材料。而这，则是人们接下来的研究课题了。不过，我们不能忽略蜘蛛丝商业化基本的问题：量产。我们至今还无法大量生产蜘蛛丝。