英國劍橋大學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。
領導這項研究的劍橋大學優(yōu)素福·哈米德化學系的圖瑪斯·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，復制了類似蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)，即所謂的“純素蜘蛛絲”。
新技術使用環(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?shù)男阅??；瘜W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交聯(lián)，因此此項技術不再用到有毒元素。(實習記者 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、卻極其纖細且兼具強度和韌性的物質(zhì)。其至今仍是仿生學領域的重要研究目標之一。對蛛絲的破解和模擬，不但對現(xiàn)代技術的發(fā)展大有助益，還能如本文中的研究一樣，對環(huán)境保護貢獻一份重要力量。
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