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研究人员构建了比钢强的分子纳米纤维

研究人员构建了比钢强的分子纳米纤维

物理学 纳米 文档翻译
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2021-02-03 20:22:11


麻省理工学院的 史蒂夫·纳迪斯(Steve Nadis)


麻省理工学院的研究人员设计了添加水时能自发形成纳米带的小分子.png


麻省理工学院的研究人员设计了添加水时能自发形成纳米带的小分子。这些分子在设计中包括一个由凯夫拉尔启发的“芳族聚酰胺”结构域,该结构域将每个分子固定在适当的位置,并产生比钢强的纳米带。此图描绘了三个凯夫拉尔启发的“芳族聚酰胺两亲”纳米带。信用:彼得·艾伦


 

自组装在自然世界中无处不在,是在每个生物体内形成有组织结构的途径。例如,当两条DNA链没有任何外部刺激或引导时结合形成双螺旋,或者当大量分子结合形成膜或其他重要的细胞结构时,就可以看到这种现象。一切都应运而生,而一个看不见的建筑商则不必一次将所有零件放在一起。


在过去的几十年中,科学家和工程师一直在遵循自然界的先驱,设计能够在水中组装的分子,其目的是制造纳米结构,主要用于生物医学应用,例如药物输送或组织工程。麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)助理教授茱莉亚·奥托尼(Julia Ortony)解释说:“这些基于小分子的材料往往会很快降解,而且它们也是化学不稳定的。除去水,特别是当施加任何种类的外力时。”

但是,她和她的团队设计了一种新型的小分子,它们以前所未有的强度自发组装成纳米带,将其结构保留在水外。Ortony及其合著者在1月21日的《自然纳米技术》中描述了这项多年努力的结果,可以激发广泛的应用。


“这一开创性的工作通过高度受控的自组装产生了异常的机械性能,应该对该领域产生重大影响。”理化学研究所新兴物质科学中心副主任兼该化学和生物技术教授Taidako Aida教授断言。未参与研究的东京大学。


MIT小组构建的材料(或更确切地说,允许其自身构建)是在细胞膜之后建模的。它的外部是“亲水的”,这意味着它喜欢在水中,而内部是“疏水的”,这意味着它要避免进水。Ortony评论说,这种构型“为自组装提供了驱动力”,因为分子的取向使其自身最小化了疏水区域与水之间的相互作用,因此呈纳米级形状。


在这种情况下,形状是由水赋予的,通常整个结构在干燥时会塌陷。但是Ortony和她的同事们提出了一个防止这种情况发生的计划。当分子松散地结合在一起时,它们像流体一样快速移动。随着分子间力的强度增加,运动变慢并且分子呈固态。Ortony解释说,这个想法是“通过对单个分子进行小的修饰来减缓分子运动,这可能导致纳米结构性质的集体变化,并希望是戏剧性的变化。”


博士Ty Christoff-Tempesta指出,减慢分子速度的一种方法。学生和该论文的第一作者,“是要使它们彼此之间的结合比在生物系统中更牢固。” 当密集的氢键网络将这些分子连接在一起时,就可以实现这一点。Christoff-Tempesta说:“这就是使像凯夫拉尔纤维那样的材料具有化学稳定性和强度的原因,这种材料由所谓的'芳族聚酰胺'构成。”


Ortony的团队将这种能力纳入了其分子设计中,该分子具有三个主要成分:一个喜欢与水相互作用的外部部分,一个用于结合的芳族聚酰胺以及一个对水有强烈厌恶感的内部部分。研究人员测试了数十种满足这些标准的分子,然后发现了导致纳米级厚度的长条带的设计。然后,作者测量了纳米带的强度和刚度,以了解包括分子之间的芳纶样相互作用的影响。他们发现纳米带出奇的坚固-实际上比钢还要坚固。


这一发现使作者想知道纳米带是否可以捆绑以生产稳定的宏观材料。Ortony的小组设计了一种策略,将对齐的纳米带拉成可以干燥和处理的长线。值得注意的是,Ortony的团队表明,这些线可以承受自身重量的200倍,并且具有非常高的表面积-每克材料200平方米。Christoff-Tempesta解释说:“这种高的表面质量比为通过减少化学物质而进行更多化学反应提供了使技术小型化的希望。” 为此,他们已经开发出纳米带,其表面涂有可以将重金属(例如铅或砷)从污染水中拉出的分子。


对于Ortony而言,他们仍然能够实现其最初的研究目标“调整物质的内部状态以创建异常强大的分子纳米结构”仍然感到惊讶。事情很容易就相反了。这些材料可能被证明是杂乱无章的,或者它们的结构像它们的前辈一样脆弱,只能滞留在水中。但是,她说:“我们很高兴看到我们对分子结构的修饰确实被分子的集体行为所放大,从而创建了具有极其强大的机械性能的纳米结构。下一步,找出最重要的应用,将是令人兴奋的。

 

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来源于:phys

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