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水凝胶可使结晶材料产生自修复行为

导读: 随着原子或分子组分之间相互作用的程度增加,材料通常变得更有序。

【引言】

随着原子或分子组分之间相互作用的程度增加,材料通常变得更有序。 然而,高水平的结构有序性和柔性两者并不一定是相互排斥的; 有许多生物和合成装配体可以进行相当大的结构转换而不会失去其结晶顺序,并具有显著的机械性能,这些机械性能可用于各种应用,例如选择性吸附,分离,传感和机械致动。然而,结构变化的程度和这种柔性晶体的弹性受到维持晶格组成部分之间连接网络的限制。 因此,即使是最具动态性的多孔材料也趋向于脆性并被分离为微晶粉末,而柔性的有机或无机分子晶体不能在不破裂的情况下发生膨胀。 由于它们的刚性,结晶材料很少显示出自愈行为。

【成果简介】

Nature最新一期的报道中,加利福尼亚大学F. Akif Tezcan(通讯作者)团队发表了题为“Hyperexpandable, self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks”的文章,研究发现具有水凝胶聚合物的大分子铁蛋白晶体可以各向同性地膨胀至其原始尺寸的180%,并且超过其原始体积的500%,同时保持周期性排序和多面Wulff形态。即使相邻的铁蛋白分子在晶格膨胀时分离50埃后,它们之间的特定分子接触可以在晶格收缩时重新形成,实现了迄今为止报道的原子级周期性和最高分辨率铁蛋白结构的恢复。水凝胶网络和铁蛋白分子之间的动态结合相互作用赋予晶体有效抵抗碎裂和自愈的能力,而铁蛋白分子的化学调整能够在单晶内产生化学和机械分化的结构域。而在16年Tezcan还在加州大学圣地亚哥分校时就发表了一篇关于适应蛋白质晶体的材料,这种材料具有一种违背我们正常认知的属性:当我们沿一个方向对其进行拉伸时,在与拉伸方向垂直的方向上,材料非但没有变薄,反而变得更厚。同样的,当我们沿一个方向对其进行挤压时,它在相垂直的方向上发生收缩而不是扩张,并且在这个过程中密度变大。“自适应蛋白质晶体”这一“遇刚则刚”的反常属性,使其具有很多的潜在应用。例如:用于跑鞋的鞋底,当鞋底与路面碰撞时,它会自动变厚从而具有更好的减震作用;用于防弹衣,当受到子弹射击时,它会利用自身的自适应作用而变得更加强韧。

【图文导读】

图1 注入的水凝胶网络后铁蛋白晶体的膨胀-收缩

水凝胶可使结晶材料产生自修复行为

图2 铁蛋白晶体 - 水凝胶杂化体膨胀和收缩行为表征

水凝胶可使结晶材料产生自修复行为

图3 通过XRD对铁蛋白晶体-水凝胶杂化物进行原子级结构表征

水凝胶可使结晶材料产生自修复行为

图4 铁蛋白晶体-水凝胶杂化体的自愈行为和功能化

水凝胶可使结晶材料产生自修复行为


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