科学家研究纳米级蜘蛛丝聚合物,带动新颖生物电子学、传感器和电池应用发展

合成聚合物(Synthetic Polymer)早已改变我们的世界,所以很难想象没有它们的世界会是什么样子,但确实有问题存在。例如,从合成观点来看,想精准控制分子结构并不容易,这使得想微调某些特性也不容易,例如传输离子的能力。

为了克服这个问题,荷兰格罗宁根大学(University of Groningen)讲师Giuseppe Portale决定从大自然汲取灵感。研究成果〈可当作质子导体并可能在未来生物电子(Bio-Electronic)组件发挥作用的基于类蛋白质材料的新型聚合物〉发布在7月17日的《科学前缘》(Science Advances)期刊。

“从获得博士学位以来,我不断从事质子传导材料的研究,”Portale表示:“我发现了解到底是什么让材料传输质子的研究工作令人着迷,因此我花了很多时间与心力在纳米级结构优化,以获得更大的传导率。”但就在几年前,他开始考虑用生物类蛋白质结构制造聚合物的可能性。他与格罗宁根大学的前同事、现在德国亚琛工业大学莱布尼兹交互材料研究所(DWI–Leibniz Institute for Interactive Materials)工作的Andreas Hermann教授一起提出这个想法。“我们可以立即看到质子传导生物聚合物非常适用于生物电子或传感器等应用。”Portale指出。

初期以桶状蛋白质提高质子传导率

但是,他们首先必须看看这个想法是否可行。Portale表示:“我们首要目标是证明可通过调整每条高分子聚合物链的解离基(Ionizable Group)数量,精确调整蛋白质基聚合物的质子传导率。”为了做到这点,研究人员准备一些非结构化生物聚合物,有不同数量的解离基,在这种情况下是羧酸基(Carboxylic Acid Group)。质子传导率与每条链带电荷的羧酸基数量成线性比例关系。“这不是开创性的,每个人都知道这个概念。但是我们很高兴,因为我们能做出符合预期的成果。”Portale表示。

下一步,Portal将依靠合成聚合物领域的专业知识:“多年来,我已经了解到聚合物的纳米级结构会对传导率产生极大影响。如果有适当的纳米结构,可使电荷绑在一起,并增加这些离子基的局部浓度,进而大幅提高质子传导率。”由于第一批生物聚合物完全无定形,因此研究人员不得不改用其他材料。他们决定使用一种已知的桶状蛋白质。“我们设计这种桶状蛋白质,并在表面添加羧酸股(strand),”Portale解释:“这大大提高了传导率。”

妙不可言的纳米级新型蜘蛛丝聚合物

不幸的是,桶状聚合物不是很实用。它没有机械强度,很难加工,因此Portale和同事不得不寻找替代品。他们最终看上知名的天然聚合物:蜘蛛丝。“这是自然界最迷人的材料之一,因为非常坚韧,且适用许多领域。”Portale表示:“我知道蜘蛛丝有令人着迷的纳米结构,因此我们设计出一类蛋白质聚合物,有蜘蛛丝的主要结构,但修饰后可容纳羧酸股。”

这种新颖的材料妙不可言。“我们发现它可像蜘蛛丝以纳米级尺度自我组合,同时形成密集的带电基团簇,这对质子传导性非常有利,”Portale解释:“且我们能够将其变成1厘米大小的坚韧薄膜。”所测得的质子传导率比以往任何已知生物材料都要高,但据Portale的说法,它们还没有达到这种水准:“这大部分还凭借更多基础性工作。为了提升这种材料的可用性,我们确实必须加以改进,让它具可加工性。”

主要应用领域会着眼于传感器

但尽管这项工作尚未完成,Portale和同事也能梦想未来应用他们的聚合物:“我们认为这种材料可用作燃料电池的薄膜。也许不是你在汽车和工厂看到的大规模燃料电池,而可能偏向较小规模。如今植入式生物电子组件的应用领域(例如葡萄糖驱动的心脏节律器)正在不断扩大。在未来几年,希望找出能发挥我们聚合物作用的应用领域,因为它已具备生物兼容性。”

就短期而言,Portale主要考虑的是传感器。“我们在材料测量的传导率会受环境因素(例如湿度或温度)的影响。所以如果你想在一定湿度下存储东西,可将这种聚合物放在两个电极之间,然后测量是否有任何变化。”然而,在所有这些梦想成真之前,还有很多问题需要被解决。“我非常自豪的是,我们能在分子尺度控制这些新材料,并从头开始制造。但我们仍然必须多多了解它们的能耐,看看是否能进一步改进。”

(首图来源:科技新报)

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