《蛋白质复合材料和二维纳米材料》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2017-12-30
  • 近年来,二维材料纳米技术的发展,结合生物技术和合成生物学的并行发展,证明了具有理想的工程性能和优化性能的新型复合材料和更复杂的复合材料。二维晶体的不断扩大,促进了非平衡材料的研究,如纳米结构复合材料和复杂的异质结构。特别是,由生物分子组成的二维晶体的控制装配吸引了特殊的兴趣,因为它能够精确控制产生的材料的物理性能。为促进这些新型生物无机复合材料的设计,了解和控制二维晶体与互补生物系统之间的分子相互作用是至关重要的。特别地,以蛋白质为基础的材料具有启动多种物理或化学与二维晶体的相互作用的能力,证明是一种利用分子生物学工具构建具有可编程属性的功能性生物无机复合材料的合适匹配。在此综述中,对二维材料和蛋白质的新型纳米结构复合材料进行了详细的研究,并对其相互作用进行了综合分析。此外,还讨论了近年来关于合成生物学与二维系统融合的研究方向。

    ——文章发布于2017年12月20日

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    • 据最新一期《美国国家科学院院刊》报道,美国宾夕法尼亚州立大学研究人员利用鱿鱼环齿上的仿生蛋白质创造了一种复合的层状二维材料,这种材料具有抗断裂和很强的弹性。   大自然创造出像骨头、贝壳这样的分层材料,正是这种多级结构才确保了骨头具有极高的抗断裂强度,得以支撑庞大的身体。骨头中含有无数空隙,然而,随着生长发育,它对缺陷的敏感度会降低。这意味着即使骨头已经含有诸多“缺陷”,也依然具有较高的强度。   宾夕法尼亚州立大学高级纤维技术中心主任、劳埃德和多罗夕福尔哈克仿生材料主席梅利克·德米雷尔和多萝西·福尔·哈克表示:“研究人员很少报告骨头和贝壳的这种界面特性,因为它很难通过实验进行测量。”   以此为灵感,新开发的复合二维材料是由像石墨烯或MXene(通常是过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物)这样的原子层厚的硬材料组成的,这些材料之间被一层东西黏合并隔开。虽然大块石墨烯或MXene具有块体性能,但二维复合材料的强度来自界面性质。   德米雷尔介绍说,他们使用的是一种界面材料,可通过重复序列加以修改,从而能够微调性质,让它变得灵活而强大。此外,这种材料还具有独特的热传导性质。   “这种材料很适合做跑鞋的鞋垫。”德米雷尔说,“它可以给脚部降温,反复弯曲也不会把鞋垫弄坏。”这些二维复合材料还可用于柔性电路板、可穿戴设备和其他需要强度和灵活性的设备。   根据德米雷尔的说法,传统的连续介质理论无法解释为什么这些材料既坚固又灵活,但模拟表明,界面很重要。当组成界面的材料比例较高时,当材料受到压力时,界面会发生局部断裂,但作为整体的材料不会断裂。   【总编辑圈点】   搜索“鱿鱼环齿”,会发现科研人员早已对它摩拳擦掌,开展过多项研究,并尝试在不同领域应用。鱿鱼环齿蛋白质可被加工制成纤维和薄膜,可以替代塑料制品,提升织物的耐磨性,制作可穿戴设备……当然,要大规模应用这种仿生材料,需要先制造出仿生蛋白质,毕竟也不能一只只抓住鱿鱼扒拉蛋白质。本文中,科研人员用仿生蛋白质制造出复合层状材料,可以让它又坚固又灵活。从大自然的神奇生物身上,人类获得了很多“外挂”,改造后为自己服务。
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    • 在国家自然科学基金项目(批准号:52125302、52350012、22075009)等资助下,北京航空航天大学程群峰教授团队在纳米复合材料领域取得新进展,解决了纳米复合材料组装中因毛细收缩产生孔隙的难题,制备了迄今为止最高拉伸强度的MXene纳米复合薄膜材料,为其他二维纳米材料的宏观组装提供了新思路。相关研究成果以“液态金属顺序桥联诱导的超强碳化钛薄膜(Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal)”为题,于2024年7月5日以封面文章发表在《科学》(Science)上。论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4257。   工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局等四部门联合印发的《绿色航空制造业发展纲要(2023—2035年)》,指出发展绿色航空制造业是应对气候变化、实现航空产业可持续发展的必然要求。其中轻量化材料是绿色航空发展的关键核心技术之一。目前波音、空客、C919客机大量使用碳纤维复合材料,以实现减重和节能减排。与碳纤维相比,二维纳米材料(石墨烯、碳化钛等)具有更加优异的力学和电学性能,是未来实现绿色航空目标的理想材料。   该研究团队提出了“液态金属交联致密化”新策略,通过易流动的液态金属填充孔隙,消除因毛细收缩导致二维纳米材料产生的孔隙缺陷,解决了湿化学法组装二维纳米材料结构不致密、取向度低的难题。与此同时,液态金属与纳米片形成Ga-O配位键,大幅提升了纳米片载荷传递能力,实现了迄今为止908.4 MPa的最高拉伸强度(图),高于目前报道的其他碳化钛薄膜,同时还具有优异的电磁屏蔽性能,实现了结构功能一体化。本工作提出的“液态金属交联致密化”新策略,为其他高性能纳米复合材料的创制提供了新思路。