Природа и пластик вдохновляют на прорыв в создании экологически чистых мягких материалов

Откажитесь от твердых и твердых материалов. В городе появился новый электрически устойчивый, мягкий материал, и он готов открыть новые возможности для медицинских устройств, носимых технологий и интерфейсов человек-компьютер.

Используя пептиды и фрагменты макромолекул в пластике, ученые-материаловеды Северо-Западного университета разработали материалы, сделанные из небольших гибких полосок наноразмера, которые можно заряжать, как батарею, для хранения энергии или записи цифровой информации. Эти системы обладают высокой энергоэффективностью, биосовместимостью, изготовлены из экологически чистых материалов и могут привести к созданию новых типов легких электронных устройств, одновременно снижая воздействие производства и ликвидации электронных устройств на окружающую среду.

тот Опубликовано сегодня (9 октября) в Nature.

При дальнейшем развитии новые мягкие материалы можно будет использовать в маломощных и энергоэффективных микроскопических чипах памяти, датчиках и модулях хранения энергии. Исследователи также могут включать их в тканые волокна для создания умных тканей или медицинских имплантатов, похожих на наклейки. В современных носимых устройствах электронные устройства надежно крепятся к телу с помощью браслета. Но благодаря новому материалу браслет сам Он может иметь электронную активность.

«Это совершенно новая концепция в материаловедении и исследованиях мягких материалов», — заявили в Northwestern. Сэмюэл И. Стопкоторый руководил исследованием. «Мы представляем себе будущее, в котором вы сможете носить рубашку со встроенным в нее кондиционером или полагаться на мягкие, похожие на ткани биоактивные имплантаты, которые активируются по беспроводной сети для улучшения работы сердца или мозга.

«Эти применения требуют электрических и биологических сигналов, но мы не можем создать эти приложения, используя традиционные электрически активные материалы. Нецелесообразно помещать твердые материалы в наши органы или футболки, которые люди могут носить. Нам нужно подавать электрические сигналы. мир мягких материалов. И это именно то, что «Мы сделали это в этом исследовании».

Стауб — профессор материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Попечительском совете Северо-Западного университета. В течение последнего десятилетия он также занимал должность директора Министерства энергетики США. Центр биоэнергетических наукС чего началось это исследование. У Ступпа назначены встречи в Инженерная школа Маккормика, Вайнбергский колледж искусств и наук и Медицинский факультет Файнберга Северо-Западного университета. Ян Ян, научный сотрудник лаборатории Стауба, является первым автором этой статьи.

Пептиды в сочетании с пластиками создают настоящие инновации

Секрет нового материала — пептидные амфифилы, универсальная платформа молекул, ранее разработанная в лаборатории Штауба. Эти самоорганизующиеся структуры образуют нити в воде и уже показали многообещающие результаты в регенеративной медицине. Молекулы содержат пептиды и липидный фрагмент, который управляет самосборкой молекул при помещении в воду.

В новом исследовании команда заменила курдюк небольшим молекулярным фрагментом пластика под названием поливинилиденфторид (ПВДФ). Но они сохранили пептидную часть, содержащую последовательности аминокислот. ПВДФ, широко используемый в аудио- и гидролокационных технологиях, представляет собой пластиковый материал с необычными электрическими свойствами. Он может генерировать электрические сигналы при нажатии или сжатии — это свойство известно как пьезоэлектричество. Это также сегнетоэлектрический материал, то есть он имеет полярную структуру, которая может менять направление на 180 градусов с помощью внешнего напряжения. Преобладающими фотоэлектрическими материалами в этой технологии являются твердые материалы, часто включающие редкие или токсичные металлы, такие как свинец и ниобий.

«ПВДФ был открыт в конце 1960-х годов и является первым известным пластиком с фотоэлектрическими свойствами», — сказал Стауб. «Он обладает всей прочностью пластика и при этом полезен для электрических устройств. Это делает его очень ценным материалом для передовых технологий. Однако в чистом виде его сегнетоэлектрический характер нестабилен, и при нагревании выше так называемой температуры Кюри. оно безвозвратно теряет свою полярность». Возврата к нему нет.

Все пластмассы, включая ПВДФ, содержат полимеры, которые представляют собой гигантские молекулы, обычно состоящие из тысяч химических структурных единиц. В новом исследовании лаборатория Ступпа точно изготовила миниатюрные полимеры, используя всего от трех до семи единиц винилилиденфторида. Интересно, что мини-секции, содержащие четыре, пять или шесть субъединиц, запрограммированы естественными структурами бета-листов, обнаруженными в белках, на организацию в стабильную сегнетоэлектрическую фазу.

«Это была нетривиальная задача», — сказал Стауб. «Сочетание двух неожиданных партнеров – пептидов и пластификаторов – привело к значительному прогрессу во многих отношениях».

Новые материалы были не только такими же сегнетоэлектрическими и пьезоэлектрическими, как и ПВДФ, но и электроактивные формы были стабильными, с возможностью переключения полярности с помощью очень низкого внешнего напряжения. Это открывает двери для маломощной электроники и устойчивых наноустройств. Ученые также предполагают разработку новых биомедицинских технологий путем прикрепления биоактивных сигналов к пептидным фрагментам — стратегия, которая уже использовалась в исследованиях Стауба в области регенеративной медицины. Это обеспечивает уникальную комбинацию электроактивных материалов, которые также являются биологически активными.

Просто добавь воды

Чтобы создать устойчивые конструкции, команда Ступпа просто добавила воды, чтобы начать процесс самостоятельной сборки. После введения материала Стауб был поражен, обнаружив, что он достиг весьма желательных фотоэлектрических свойств ПВДФ.

В присутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики меняют свою полярную ориентацию, подобно тому, как магнит может переворачиваться с севера на юг и обратно. Это свойство является важным компонентом устройств, хранящих информацию, и важной особенностью технологий искусственного интеллекта. Удивительно, но исследователи обнаружили, что «мутации» в последовательности пептидов могут точно настраивать сегнетоэлектрические свойства или даже превращать структуры в идеальные материалы для функционализации или хранения энергии, известные как «фазы релаксации».