這個小組時隔兩年Nature再獲突破：水凝膠使硬硬的結晶材料產生自修復行為

【引言】

隨著原子或分子組分之間相互作用的程度增加，材料通常變得更有序。 然而，高水平的結構有序性和柔性兩者并不一定是相互排斥的; 有許多生物和合成裝配體可以進行相當大的結構轉換而不會失去其結晶順序，并具有顯著的機械性能，這些機械性能可用于各種應用，例如選擇性吸附，分離，傳感和機械致動。然而，結構變化的程度和這種柔性晶體的彈性受到維持晶格組成部分之間連接網絡的限制。 因此，即使是最具動態性的多孔材料也趨向于脆性并被分離為微晶粉末，而柔性的有機或無機分子晶體不能在不破裂的情況下發生膨脹。 由于它們的剛性，結晶材料很少顯示出自愈行為。

【成果簡介】

Nature最新一期的報道中，加利福尼亞大學F. Akif Tezcan（通訊作者）團隊發表了題為“Hyperexpandable, self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks”的文章，研究發現具有水凝膠聚合物的大分子鐵蛋白晶體可以各向同性地膨脹至其原始尺寸的180％，并且超過其原始體積的500％，同時保持周期性排序和多面Wulff形態。即使相鄰的鐵蛋白分子在晶格膨脹時分離50埃后，它們之間的特定分子接觸可以在晶格收縮時重新形成，實現了迄今為止報道的原子級周期性和最高分辨率鐵蛋白結構的恢復。水凝膠網絡和鐵蛋白分子之間的動態結合相互作用賦予晶體有效抵抗碎裂和自愈的能力，而鐵蛋白分子的化學調整能夠在單晶內產生化學和機械分化的結構域。而在16年Tezcan還在加州大學圣地亞哥分校時就發表了一篇關于適應蛋白質晶體的材料，這種材料具有一種違背我們正常認知的屬性：當我們沿一個方向對其進行拉伸時，在與拉伸方向垂直的方向上，材料非但沒有變薄，反而變得更厚。同樣的，當我們沿一個方向對其進行擠壓時，它在相垂直的方向上發生收縮而不是擴張，并且在這個過程中密度變大。“自適應蛋白質晶體”這一“遇剛則剛”的反常屬性，使其具有很多的潛在應用。例如：用于跑鞋的鞋底，當鞋底與路面碰撞時，它會自動變厚從而具有更好的減震作用；用于防彈衣，當受到子彈射擊時，它會利用自身的自適應作用而變得更加強韌。

【圖文導讀】

圖1 注入的水凝膠網絡后鐵蛋白晶體的膨脹-收縮

圖2 鐵蛋白晶體 - 水凝膠雜化體膨脹和收縮行為表征

圖3 通過XRD對鐵蛋白晶體-水凝膠雜化物進行原子級結構表征

圖4 鐵蛋白晶體-水凝膠雜化體的自愈行為和功能化

文獻鏈接：Hyperexpandable, self-healing macromolecular crystals with integrated polymer networks（Nature,2018,DOI:10.1038/s41586-018-0057-7）

本文由材料人Allen供稿，材料人整理編輯。

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