英國劍橋大學(xué)的研究人員模仿自然界中最堅固的材料之一——蜘蛛絲的特性，創(chuàng)造了一種基于植物的、可持續(xù)的、可伸縮的聚合物薄膜。這種新材料與當(dāng)今使用的許多普通塑料一樣堅固，可以取代許多普通家用產(chǎn)品中的一次性塑料。同時，該材料無須工業(yè)堆肥設(shè)備就可在大多數(shù)自然環(huán)境安全降解，也可實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。研究結(jié)果10日發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。
領(lǐng)導(dǎo)這項研究的劍橋大學(xué)優(yōu)素福·哈米德化學(xué)系的圖瑪斯·諾爾斯教授表示，蜘蛛絲這樣的材料之所以如此堅固的關(guān)鍵原因之一是氫鍵在空間中規(guī)則地排列，而且密度非常高。
蛋白質(zhì)具有分子自組織和自組裝的傾向，特別是作為食品工業(yè)副產(chǎn)品的植物蛋白質(zhì)含量豐富，可持續(xù)獲得。該研究的合著者馬克·羅德里格斯·加西亞博士研究如何在其他蛋白質(zhì)中復(fù)制這種規(guī)則的自我排列。
研究人員將大豆分離蛋白(SPI)作為測試植物蛋白，因為作為豆油生產(chǎn)的副產(chǎn)品，SPI很容易獲得。但是，像SPI這樣的植物蛋白在水中的溶解性很差，因此很難控制它們自組裝成有序的結(jié)構(gòu)。此次，通過使用SPI，他們成功在沒有蜘蛛的情況下，復(fù)制了類似蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)，即所謂的“純素蜘蛛絲”。
新技術(shù)使用環(huán)境友好的乙酸和水的混合物，結(jié)合超聲波和高溫，提高了SPI的溶解度。這種方法產(chǎn)生的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，在氫鍵形成的引導(dǎo)下具有增強的分子間相互作用。在第二步中，溶劑被去除，從而形成不溶于水的薄膜。
諾爾斯說：“因為所有的蛋白質(zhì)都是由多肽鏈組成的，所以在合適的條件下，我們可以使植物蛋白質(zhì)像蜘蛛絲一樣自我組裝。”蜘蛛體內(nèi)的絲蛋白溶解在水溶液中，然后通過紡絲過程聚集成非常堅固的纖維，過程只需要很少的能量。
該材料具有與低密度聚乙烯等高性能工程塑料相當(dāng)?shù)男阅堋；瘜W(xué)交聯(lián)經(jīng)常用于提高生物聚合物薄膜的性能和耐受性。最常用的交聯(lián)劑是不可持續(xù)的，甚至可能有毒，而該新材料的優(yōu)勢在于多肽鏈的規(guī)則排列，這意味著不需要化學(xué)交聯(lián)，因此此項技術(shù)不再用到有毒元素。(實習(xí)記者 張佳欣)
總編輯圈點
大自然的鬼斧神工塑造了蜘蛛的神奇屬性。正是漫長的自然選擇，促成了蛛絲這種2500多根納米線組成、卻極其纖細(xì)且兼具強度和韌性的物質(zhì)。其至今仍是仿生學(xué)領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)之一。對蛛絲的破解和模擬，不但對現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展大有助益，還能如本文中的研究一樣，對環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)一份重要力量。
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