Nature子刊：仿生分層材料直接自組裝可控制納米纖維形態

【引言】

結構蛋白是天然的積木，可以聚集形成生物系統所需的同時具有一定硬度、結構、和功能的材料。在自然體系中，結構蛋白直接的自組裝可以產生很多復雜的、多層的材料，展現出優異的物理化學性能。并且自組裝過程的控制可以涉及從納米尺度到宏觀尺度，應用廣泛。對于合成完整的、可適應性的材料和系統來說這無疑是一種理想的選擇。

【成果簡介】

近日，來自美國塔夫茨大學Fiorenzo G. Omenetto教授（通訊作者）等人發現使用再生蠶絲蛋白通過仿生的過程可以產生分層的并且在多尺度都具有清晰形態的結構，蛋白質自組裝和微觀機械約束的雙重作用可以在預先設計好的宏觀結構中形成定向的、多孔的納米纖維網絡。這些材料可以達到預定的物理機械性能并可以滿足微觀到宏觀的需求。

【圖文導讀】

圖1 納米纖維結構機械張力介導的形成

a）直接組裝方案的總體綱要。

b）樣品微觀尺度的雙折射圖像，從周期性的形態中（三角形、六邊形和三個并列的六邊形）產生的納米纖維單元細胞，尺度條為100μm。

c）由三角形和三個六邊形構成的大尺度結構

圖2 納米纖維序列的工程學圖像

a）纖維壓力分布的雙折射和二維模擬

b）產生拉緊和松弛的纖維的設計總綱以及對應的雙折射圖像

c）一個環錨纖維的整體納米纖維形態學與雙折射圖像

d，e）納米纖維結構分別在高密度和低密度的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

f）工程學的絲綢水凝膠在乙醇和水的混合物縮減以及相應的環形結構的雙折射圖像

圖3 納米纖維在二維、三維和四維之間的形態轉換

a）在一個重新形成的環形間隔的錨的效果

b）模擬應力（上）、摻雜質的納米熒光團顆粒的熒光性（中）、橢圓形收縮33%的雙折射圖像

c）緊緊按住中間的粱不同收縮率的圖像C_I為10%-25%，C_m為25%-40%，C_h大于40%

d）三個維度的機械非線性模擬

e）薄纖維板的模擬

f）結構隨時間變化濕度控制的高度演化四維制圖

g）較高濕度的納米纖維結構演化圖像

圖4 納米纖維結構的功能

a）無摻雜的和摻雜質的部分納米纖維結構測試

b）各向異性的熱分布制圖

c）納米纖維結構通過納米顆粒的電漿吸收被加熱時拉緊的和沒拉緊的分層結構的紅外溫度記錄

d）多層納米纖維結構的圖像

e）大尺度的網狀結構顯示出有特點的藍色分散狀

f）網狀結構在納米、微觀和宏觀尺度的雙折射圖像

g）在兩偏光膜之間攝像機拍攝的網狀結構

h,i）月2.5mg的納米纖維網狀結構承載11g的載荷

【總結】

這種在微觀和宏觀尺度上都可以清晰觀察到形態的結構同時又兼具物理機械性能可以促使該領域更好的發展，并且可以讓三維的結構在多尺度范圍得到更好的應用。

文獻鏈接：Directed assembly of bio-inspired hierarchical materials with controlled nanofibrillar architectures?（Nat. Nanotech.,2017,DOI: 10.1038/NNANO.2017.4)