抛开坚硬、刚性的材料。现在出现了一种新型柔软、可持续的电活性材料——它有望为医疗设备、可穿戴技术和人机界面开辟新的可能性。

西北大学的材料科学家利用塑料中的肽和一小段大分子，开发出由微小、柔韧的纳米级带状材料，这种材料可以像电池一样充电，以储存能量或记录数字信息。

该系统具有高度的能源效率、生物相容性并且由可持续材料制成，可以产生新型超轻电子设备，同时减少电子制造和处置对环境的影响。

这项研究“超分子偏氟乙烯铁电相的肽编程”于 10 月 9 日发表在《自然》杂志上。

随着进一步开发，这种新型软材料可用于低功耗、节能的微型存储芯片、传感器和储能装置。研究人员还可以将它们集成到编织纤维中，以制造智能织物或类似贴纸的医疗植入物。

在当今的可穿戴设备中，电子设备笨重地用腕带绑在身上。但有了新材料，腕带本身就可以进行电子活动。

“这是材料科学和软材料研究领域的一个全新概念，”领导这项研究的西北大学的 Samuel I. Stupp 说。

“我们想象未来你可以穿一件内置空调的衬衫，或者依靠感觉像组织且可通过无线激活的柔软生物活性植入物来改善心脏或大脑功能。

“这些用途需要电信号和生物信号，但我们无法用经典的电活性材料来实现这些应用。将硬质材料放入我们的器官或人们可以穿的衬衫中是不切实际的。我们需要将电信号带入软质材料的世界。这正是我们在这项研究中所做的。”

Stupp 是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程董事会教授。

在过去十年中，他还担任美国能源部支持的仿生能源科学中心主任，这项研究就是从这里开始的。Stupp 任职于麦考密克工程学院、温伯格艺术与科学学院和西北大学范伯格医学院。Stupp 实验室的研究员杨阳是这篇论文的第一作者。

肽与塑料的真正创新

这种新材料的秘密在于肽两亲物，这是 Stupp 实验室之前开发的一种多功能分子平台。这些自组装结构在水中形成细丝，已在再生医学中展现出前景。这些分子含有肽和脂质片段，当置于水中时，脂质片段会驱动分子自组装。

在这项新研究中，研究小组用一种名为聚偏氟乙烯 (PVDF) 的塑料的微型分子片段取代了脂质尾部。但他们保留了肽片段，该片段包含氨基酸序列。PVDF 是一种常用于音频和声纳技术的塑料，具有不寻常的电性能。

它在受压或挤压时会产生电信号，这种特性称为压电性。它也是一种铁电材料，这意味着它具有极性结构，可以使用外部电压将方向切换 180 度。技术领域中占主导地位的铁电材料是硬质材料，通常包含稀有或有毒金属，例如铅和铌。

Stupp 表示：“PVDF 于 20 世纪 60 年代末被发现，是已知第一种具有铁电特性的塑料。

“它具有塑料的所有坚固性，同时可用于电子设备。这使它成为先进技术中非常有价值的材料。然而，在纯状态下，它的铁电特性并不稳定，如果加热到所谓的居里温度以上，它会不可逆地失去极性。”

所有塑料，包括 PVDF，都含有聚合物，这些聚合物是通常由数千个化学结构单元组成的巨分子。在这项新研究中，Stupp 实验室精确合成了仅含 3 至 7 个偏氟乙烯单元的微型聚合物。有趣的是，这些具有 4、5 或 6 个单元的微型片段由自然界的 β 片层结构(存在于蛋白质中)编程，以组织成稳定的铁电相。

“这不是一项简单的任务，”Stupp 说道。“肽和塑料这两个意想不到的伙伴的结合在许多方面带来了突破。”

这些新材料不仅具有与 PVDF 相同的铁电性和压电性，而且电活性形式稳定，能够使用极低的外部电压切换极性。这为低功耗电子产品和可持续纳米级设备打开了大门。

科学家们还设想通过将生物活性信号附加到肽片段来开发新的生物医学技术，这一策略已在 Stupp 的再生医学研究中使用。这提供了具有电活性和生物活性的独特材料组合。

只需加水

为了创建可持续结构，Stupp 的团队只需添加水即可触发自组装过程。浸泡材料后，Stupp 惊讶地发现，它们实现了 PVDF 备受追捧的铁电特性。

在外部电场的作用下，铁电材料会翻转其极性方向——类似于磁铁可以从北极翻转到南极再翻转回来。这一特性是存储信息的设备的关键要素，也是人工智能技术的一个重要特征。

令人惊讶的是，研究人员发现肽序列的“突变”可以调整与铁电性相关的特性，甚至可以将结构转变为适合驱动或储能的材料，即所谓的“弛豫相”。

Stupp 表示：“生物学中肽序列突变是病理或生物学优势的根源。在新材料中，我们通过改变肽来调整其特性以适应物理世界。”

“利用纳米级电极，我们有可能将天文数字的自组装结构暴露在电场中。我们可以用低电压翻转它们的极性，这样一端作为‘一’，另一端作为‘零’。这形成了用于信息存储的二进制代码。除了多功能性之外，与普通铁电体形成鲜明对比的是，新材料是‘多轴’的——这意味着它们可以在一个圆周上的多个方向上产生极性，而不是一两个特定的方向。”

创纪录的低功耗

要改变极性，即使是 PVDF 或其他聚合物等软铁电材料通常也需要很大的外部电场。然而，新结构所需的电压极低。

Stupp 表示：“翻转其极点所需的能量是多轴软铁电体有史以来报道的最低的。你可以想象，在能源日益匮乏的时代，这将节省多少能源。”

新材料还具有先天的环境效益。与在环境中存留数个世纪的典型塑料不同，Stupp 实验室的材料可以生物降解或重复使用，无需使用有害的有毒溶剂或高能工艺。

Stupp 表示：“我们目前正在考虑将新结构用于铁电体的非常规应用，包括生物医学设备和植入物以及可再生能源中重要的催化过程。”

“鉴于新材料中肽的用途，它们适合于生物信号功能化。我们对这些新方向感到非常兴奋。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：