水分子有奇用！助力形成捕光纖維

材料人注：近日，美國阿貢實驗室的一項研究發現，水分子可以幫助形成捕捉光照的生物纖維，這是前所未有的，此項研究對太陽能電池有機組分的改進起到了關鍵作用。

當遇到水時，一些材料會和水分離，這些材料中的一部分可以掌握利用太陽能的新方法。有機高分子部分是疏水的，部分是親水的。由于有機高分子具有這兩種對立的性質，微粒一般會將自己變為球體，使親水部分發揮作用，而讓疏水部分藏在里面。

美國能源部(DOE's)阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的一項最新研究表明，水可以使膠束自發合并成長纖維，這是以前從未發現的。

在這項由阿貢納米材料中心(Argonne's Center for Nanoscale Materials)的納米科學家Subramanian Sankaranarayanan和化學家Christopher Fry主導的研究中，超級計算機模擬和實驗室的實驗都表明了水可以作為膠束纖維生長的無形助劑。

這項研究可以幫助科學家們理解當光捕捉分子聚集時，它們是如何合并成為膠束纖維的，這也將是理解一些人工光合作用原理的關鍵一步。

Sankaranarayanan說：“到目前為止，盡力去理解光捕捉分子在哪里合成，就好像是要理解方釘是如何裝在圓孔上的。通過觀察膠束纖維自發聚集的方式，我們可以充分理解這些光捕捉系統是如何形成的。”

盡管膠束可以由各種不同類型的有機分子組成，但是阿貢實驗室的研究特別關注那些由氨基酸鏈組成的膠束。當膠束形成時，膠束周圍的水變的“超級有序”，這表明這些水分子是按照相同的方式排列的。這些強力有序導致了折疊的形成，折疊是沿著膠束纖維生長的平面蛋白質區域。

在這項研究實驗部分中，阿貢實驗室的化學家Christopher Fry使用Sankaranarayanan的計算結果來檢測一組特定的鋅卟啉光捕捉分子是如何合并成為纖維的。

Fry說：“結果表明計算機模擬報告了我專注于實驗室的部分，我可以調查一些水對自發聚集過程的影響和一些我們之前在實驗室沒有關注到的地方。”

Sankaranarayanan補充道：“膠束周圍的水可以使結構穩定，這使得折疊為生長提供了平臺，水變得越有序，纖維就越穩定。”

為了有效的模擬膠束和纖維的生長，Sankaranarayanan和阿貢計算設備(ALCF)的同事，用兩種方法在阿貢的10千萬億次超級計算機Mira上進行了建模。他們進行了粗粒度的模擬，表明在相對長時間下會出現更普遍的動力學，除此之外，他們還進行了原子模擬，展示了處于短暫延伸的水分子的運動。

Sankaranarayanan說：“為了真正理解膠束纖維如何形成的，我們需要這兩種觀點，并且能在它們之間快速轉換。”

根據Fry所說，此項研究的下一步將會使用一種模板來聚集這種纖維，同時光捕捉分子以他們自然嵌入纖維基體中的方式存在。如果成功的話，這項進展將會成為一些太陽能電池有機組分改進的基礎。Fry說：“問題是，我們能不能制造一種可以形成更有效太陽能電池部分的材料呢，現在所有能做的也就是用縮氨酸來調整效率。”

原文鏈接：Water helps assembly of biofibers that could capture sunlight。

本文由材料人編輯部楊超提供素材，樊超編譯，點我加入編輯部。