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盡管玻璃具有無(wú)序的液體狀結(jié)構(gòu)，但它具有固體狀的機(jī)械性能。玻璃材料的形成是通過(guò)玻璃化，防止結(jié)晶和促進(jìn)非晶結(jié)構(gòu)。由于其獨(dú)特的光學(xué)，化學(xué)和機(jī)械性能以及耐用性，多功能性和環(huán)境可持續(xù)性，玻璃在材料科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都是基礎(chǔ)。

然而，在不影響其性能的情況下，設(shè)計(jì)玻璃材料是具有挑戰(zhàn)性的。

在此，來(lái)自以色列特拉維夫大學(xué)的Ehud Gazit等研究者報(bào)道了一種由短芳三肽YYY與結(jié)構(gòu)水非共價(jià)交聯(lián)引發(fā)的自發(fā)自組織形成的超分子非晶玻璃。相關(guān)論文以題為“A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass”于2024年06月12日發(fā)表在Nature上。

玻璃的特點(diǎn)是非結(jié)晶的、無(wú)序的原子結(jié)構(gòu)。隨機(jī)分子排列是通過(guò)抑制熱力學(xué)上有利的周期性組織來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常是通過(guò)熔體的快速冷卻，從而在動(dòng)力學(xué)上捕獲液體狀非晶結(jié)構(gòu)。

玻璃結(jié)構(gòu)可以很容易地由聚合物構(gòu)建，因?yàn)殚L(zhǎng)聚合物鏈的糾纏或交聯(lián)降低了它們的分子遷移率。由于其通常固定的分子結(jié)構(gòu)，高分子量玻璃聚合物表現(xiàn)出顯著的剛度，但其緩慢的分子擴(kuò)散速率需要加熱才能自愈。

相比之下，低分子量的橡膠聚合物可以在室溫下自愈，因?yàn)樗鼈兊姆肿舆w移率高，但柔軟且可變形。因此，同時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械性能和在環(huán)境條件下自愈能力的玻璃材料很少被描述。

除了聚合物玻璃，各種小的有機(jī)分子可以通過(guò)非共價(jià)鍵組裝成無(wú)定形固體，盡管它們的高遷移率。為了形成分子玻璃，分子間的相互作用必須是強(qiáng)的，但非周期性的，這就阻止了具有長(zhǎng)程有序的超分子結(jié)構(gòu)的形成。像水這樣具有強(qiáng)氫鍵能力的小分子的結(jié)合可以滿足這一需求，就像蛋白質(zhì)折疊的穩(wěn)定性一樣。

作為生命的基本組成部分，多肽被認(rèn)為是超分子化學(xué)中有吸引力的結(jié)構(gòu)元素，具有自組裝成具有獨(dú)特物理、化學(xué)和生物特性的結(jié)構(gòu)的傾向。大多數(shù)肽基材料是結(jié)晶的。

例如，短芳香肽傾向于通過(guò)遠(yuǎn)距離π堆積相互作用組裝，從而獲得高結(jié)晶度和令人印象深刻的機(jī)械性能。相比之下，處于穩(wěn)定玻璃相的無(wú)定形肽基材料非常罕見(jiàn)。

在這里，研究者報(bào)道了一種超分子非晶玻璃的發(fā)現(xiàn)，這種玻璃是由短芳香三肽YYY與結(jié)構(gòu)水的非共價(jià)交聯(lián)引發(fā)的自發(fā)自組織形成的。

這個(gè)系統(tǒng)獨(dú)特地結(jié)合了經(jīng)常相互矛盾的屬性集；它是高度剛性的，但可以在室溫下進(jìn)行完全的自愈。此外，超分子玻璃是一種非常強(qiáng)的粘合劑，但它在可見(jiàn)光到中紅外的寬光譜范圍內(nèi)是透明的。

這種特殊的特性在由天然氨基酸組成的簡(jiǎn)單生物有機(jī)肽玻璃中被觀察到，呈現(xiàn)出一種多功能材料，可以在科學(xué)和工程的各種應(yīng)用中非常有利。

圖1 肽玻璃組裝及其光學(xué)性質(zhì)。

圖2 通過(guò)水分子的非共價(jià)交聯(lián)產(chǎn)生對(duì)親水性表面的粘附性能的肽玻璃組裝機(jī)制。

圖3 力學(xué)性能隨水化水平變化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

圖4 多肽玻璃的開(kāi)裂和自愈。

綜上所述，酪氨酸三肽通過(guò)與結(jié)構(gòu)水分子構(gòu)建非特異性氫鍵網(wǎng)絡(luò)，意外地形成了超分子無(wú)定形玻璃材料。在其凍干狀態(tài)下，YYY肽是一種白色固體粉末，沒(méi)有粘性或粘附性。

然而，水合作用引發(fā)水分子形成強(qiáng)的非共價(jià)交聯(lián)，從而產(chǎn)生具有固有聚合物特征的超分子玻璃，盡管肽構(gòu)建塊的分子量非常低。

由結(jié)構(gòu)水分子整合形成的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，以及它們的塑化特性，提供了各種吸引人的特征。它允許選擇性粘附到親水表面，從脆性到延性的機(jī)械性能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以及在溫和條件下自愈的能力。

此外，多肽玻璃的動(dòng)態(tài)特性使其能夠被回收利用。由于大多數(shù)玻璃材料是不可降解的，因此開(kāi)發(fā)可回收的替代品是至關(guān)重要的。由于水在結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，這種特殊的肽玻璃從基本的肽科學(xué)方面是迷人的。

此外，其堅(jiān)固的機(jī)械性能和自愈能力在材料工程中特別有利。其廣泛的透明度范圍，連同折射率匹配，可以在光學(xué)和電光學(xué)制造的應(yīng)用中非常有用。

它可以作為多層光學(xué)的粘合劑，作為光學(xué)浸沒(méi)膠，或者使用自下而上的方法輕松制造光學(xué)鏡片。所有這些特性都證明了YYY肽基玻璃非凡的多功能性。

【參考文獻(xiàn)】

Finkelstein-Zuta, G., Arnon, Z.A., Vijayakanth, T. et al. A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass. Nature 630, 368–374 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07408-x

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07408-x

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