Аквамелт
Аквамелт материал , — это природный гидратированный полимерный который способен затвердевать при температуре окружающей среды за счет контролируемого воздействия напряжения (механического или химического).
Они уникальны тем, что способны «фиксировать» приложенную к ним работу посредством изменения водородных связей , что позволяет обрабатывать их примерно в 1000 раз меньше энергии, чем стандартные полимеры. [ 1 ] Недавно это было показано на примере архетипического биополимера — шелка . [ 2 ] однако считается, что механизм затвердевания присущ многим другим биологическим материалам. [ 3 ] [ 4 ]
Открытие и механизм
[ редактировать ]Аквамелты были определены как новый класс полимерных материалов в результате сравнения прядильного сырья китайского тутового шелкопряда ( Bombyx mori ) и расплавленного полиэтилена высокой плотности (HDPE). [ 2 ] с использованием визуализации в поляризованном свете, индуцированной сдвигом (SIPLI). [ 5 ]
Современное понимание фибрилляции, вызванной сдвигом, требует, чтобы полимерные цепи претерпели следующую серию стадий: i) длинноцепные молекулы растягиваются, ii) и образуют устойчивые точечные ядра, которые iii) выстраиваются под действием потока в ряды, а затем iv) растут, создавая кристаллические фибриллы. [ 2 ] Чтобы эти фибриллы остались, температура образца должна быть снижена до температуры ниже точки плавления полимера. Этот процесс аналогичен фибрилогенезу натуральных полимеров шелка, в которых белки выравниваются (рефолдируются), зарождаются ( денатурируют ) и кристаллизуются (агрегируются). Однако в шелке фибриллы сохраняются без необходимости понижения температуры. [ 6 ] [ 7 ]
С макромолекулярной точки зрения эти два процесса считаются схожими из-за уникального взаимодействия нативного белка с его тесно связанной водой. [ 3 ] [ 4 ] Подобно отдельной полимерной цепи в расплаве, нативный белок и его тесно связанные молекулы воды можно рассматривать не как раствор, а как единый обрабатываемый объект, нанокомпозит , называемый «аквамелтом».
Различия между типичным полимером и аквамелтом подчеркиваются способностью аквамелта затвердевать в ответ на стресс при температуре окружающей среды. Это происходит, когда приложенного напряжения достаточно, чтобы отделить тесно связанную воду от белка, расщепляя нанокомпозит. Это приводит к конформационным изменениям белка и увеличению вероятности образования водородных связей между белковыми цепями и последующего затвердевания. [ 4 ] Многомасштабные структуры, т.е. фибриллы или пены, являются результатом сочетания направленных полей напряжений и свойств самосборки акварасплава. [ 7 ] [ 8 ]
Возможное использование
[ редактировать ]Aquamelts предлагает несколько преимуществ по сравнению с существующими решениями для производства синтетических полимеров . Во-первых, они получены из натуральных источников, без использования нефти в производстве, подлежат вторичной переработке и биоразложению . Во-вторых, их можно обрабатывать при комнатной температуре и давлении, в результате чего в качестве побочного продукта процесса затвердевания остается только вода. В-третьих, рабочие расчеты, выполненные на сырье из шелка и полиэтилена высокой плотности, выявили десятикратную разницу в количестве энергии сдвига, необходимой для инициирования затвердевания. [ 9 ] С учетом температуры обработки разница в энергетических затратах на затвердевание у акваплавов в тысячу раз меньше, чем у синтетических полимеров. [ 1 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Как тутовые черви побеждают ученых-полимерщиков - секрет аквамелта» . Научные дебаты . 25 ноября 2011 года . Проверено 10 апреля 2012 г.
- ^ Jump up to: а б с Голландия, К; Воллрат, Ф; Райан, А; Михайлик О. (2012). «Шелк и синтетические полимеры: примирение 100 градусов разделения». Продвинутые материалы . 24 (1): 105–109. дои : 10.1002/adma.201103664 . ПМИД 22109705 .
- ^ Jump up to: а б Портер, Д; Воллрат, Ф (2008). «Роль кинетики связывания воды и амидов в стабильности белка». Мягкая материя . 4 (1): 328–336. Бибкод : 2008SMat....4..328P . дои : 10.1039/B713972A .
- ^ Jump up to: а б с Портер, Д; Воллрат, Ф (2012). «Подвижность воды, денатурация и стеклование в белках». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1824 (6): 785–791. дои : 10.1016/j.bbapap.2012.03.007 . ПМИД 22465032 .
- ^ Михайлик О. (2010). «Визуализация расщепленных материалов в поляризованном свете с временным разрешением: применение к кристаллизации полимеров». Мягкая материя . 6 (18): 4430–4440. Бибкод : 2010SMat....6.4430M . дои : 10.1039/C0SM00332H .
- ^ Буле-Оде, М; Воллрат, Ф; Голландия, К (2011). «Инфракрасная спектроскопия полного отражения с рео-ослаблением: новый инструмент для изучения биополимеров». Физическая химия Химическая физика . 13 (9): 3979–3984. Бибкод : 2011PCCP...13.3979B . дои : 10.1039/C0CP02599B . ПМИД 21240437 .
- ^ Jump up to: а б Голландия, К; Урбах, Дж; Блэр, Д. (2012). «Прямая визуализация фибриллогенеза шелка, зависящего от сдвига» (PDF) . Мягкая материя . 8 (9): 2590–2594. Бибкод : 2012SMat....8.2590H . дои : 10.1039/C2SM06886A . S2CID 97800780 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 декабря 2019 г.
- ^ Гуан, Дж; Портер, Д; К, Тиан; Чжэнчжун, С; Чен, X (2010). «Морфология и механические свойства каркасов из соевого белка, полученных методом направленного замораживания». Журнал прикладной науки о полимерах . 118 (3): 328–336. дои : 10.1002/app.32579 .
- ^ Челси Уайт (23 ноября 2011 г.). «Лицом к лицу с сверхэффективным тутовым шелкопрядом» . Новый учёный . Архивировано из оригинала 27 декабря 2011 года . Проверено 10 апреля 2012 г.