科學家研究奈米級蜘蛛絲聚合物,帶動新穎生物電子學、感測器和電池應用發展

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 01 日 8:30 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


合成聚合物(Synthetic Polymer)早已改變我們的世界,所以很難想像沒有它們的世界會是什麼樣子,但確實有問題存在。例如,從合成觀點來看,想精準控制分子結構並不容易,這使得想微調某些特性也不容易,例如傳輸離子的能力。

為了克服這個問題,荷蘭格羅寧根大學(University of Groningen)講師 Giuseppe Portale 決定從大自然汲取靈感。研究成果〈可當作質子導體並可能在未來生物電子(Bio-Electronic)元件發揮作用的基於類蛋白質材料的新型聚合物〉發表在 7 月 17 日的《科學前緣》(Science Advances)期刊。

「從獲得博士學位以來,我不斷從事質子傳導材料的研究,」Portale 表示:「我發現了解到底是什麼讓材料傳輸質子的研究工作令人著迷,因此我花了很多時間與心力在奈米級結構優化,以獲得更大的傳導率。」但就在幾年前,他開始考慮用生物類蛋白質結構製造聚合物的可能性。他與格羅寧根大學的前同事、現在德國亞琛工業大學萊布尼茲互動材料研究所(DWI – Leibniz Institute for Interactive Materials)工作的 Andreas Hermann 教授一起提出這個想法。「我們可以立即看到質子傳導生物聚合物非常適用於生物電子或感測器等應用。」 Portale 指出。

初期以桶狀蛋白質提高質子傳導率

但是,他們首先必須看看這個想法是否可行。Portale 表示:「我們首要目標是證明可透過調整每條高分子聚合物鏈的解離基(Ionizable Group)數量,精確調整蛋白質基聚合物的質子傳導率。」為了做到這點,研究人員準備一些非結構化生物聚合物,有不同數量的解離基,在這種情況下是羧酸基(Carboxylic Acid Group)。質子傳導率與每條鏈帶電荷的羧酸基數量成線性比例關係。「這不是開創性的,每個人都知道這個概念。但是我們很高興,因為我們能做出符合預期的成果。」Portale 表示。

下一步,Portal 將依靠合成聚合物領域的專業知識:「多年來,我已經了解到聚合物的奈米級結構會對傳導率產生極大影響。如果有適當的奈米結構,可使電荷綁在一起,並增加這些離子基的局部濃度,進而大幅提高質子傳導率。」由於第一批生物聚合物完全無定形,因此研究人員不得不改用其他材料。他們決定使用一種已知的桶狀蛋白質。「我們設計這種桶狀蛋白質,並在表面添加羧酸股(strand),」Portale 解釋:「這大大提高了傳導率。」

妙不可言的奈米級新型蜘蛛絲聚合物

不幸的是,桶狀聚合物不是很實用。它沒有機械強度,很難加工,因此 Portale 和同事不得不尋找替代品。他們最終看上知名的天然聚合物:蜘蛛絲。「這是自然界最迷人的材料之一,因為非常堅韌,且適用許多領域。」Portale 表示:「我知道蜘蛛絲有令人著迷的奈米結構,因此我們設計出一類蛋白質聚合物,有蜘蛛絲的主要結構,但修飾後可容納羧酸股。」

這種新穎的材料妙不可言。「我們發現它可像蜘蛛絲以奈米級尺度自我組合,同時形成密集的帶電基團簇,這對質子傳導性非常有利,」Portale 解釋:「且我們能夠將其變成 1 公分大小的堅韌薄膜。」所測得的質子傳導率比以往任何已知生物材料都要高,但據 Portale 的說法,它們還沒有達到這種水準:「這大部分還有賴更多基礎性工作。為了提升這種材料的可用性,我們確實必須加以改進,讓它具可加工性。」

主要應用領域會著眼於感測器

但儘管這項工作尚未完成,Portale 和同事也能夢想未來應用他們的聚合物:「我們認為這種材料可用作燃料電池的薄膜。也許不是你在汽車和工廠看到的大規模燃料電池,而可能偏向較小規模。如今植入式生物電子元件的應用領域(例如葡萄糖驅動的心臟節律器)正在不斷擴大。在未來幾年,希望找出能發揮我們聚合物作用的應用領域,因為它已具備生物相容性。」

就短期而言,Portale 主要考慮的是感測器。「我們在材料測量的傳導率會受環境因素(例如濕度或溫度)的影響。所以如果你想在一定濕度下儲存東西,可將這種聚合物放在兩個電極之間,然後測量是否有任何變化。」然而,在所有這些夢想成真之前,還有很多問題需要被解決。「我非常自豪的是,我們能在分子尺度控制這些新材料,並從頭開始製造。但我們仍然必須多多了解它們的能耐,看看是否能進一步改進。」

(首圖來源:科技新報)