使用肽和大型塑料分子的成分，材料科学家创造了小型、可适应的纳米级丝带，这些丝带通过储存能量或记录数字数据来像电池一样工作。
忘掉僵硬和不屈的材料吧。一个新的柔软、环保的电活性材料正在引起轰动——它将彻底改变医疗设备、可穿戴科技以及我们与计算机的互动方式。
西北大学的研究人员使用肽和大型塑料分子的片段，创造了来自微小、柔韧的纳米级丝带的材料，这些材料可以像电池一样充电，以储存能量或捕捉数字信息。这些材料具有高度的能效、生物相容性，并且由可持续资源生产。它们可能导致超轻的电子设备，同时最小化与电子生产和处置相关的环境足迹。
这项研究的结果将于10月9日在《自然》杂志上发表。
随着进一步的发展，这些新型柔性材料有可能用于低功耗、高能效的微型存储芯片、传感器和储能设备。研究人员还可以将这些材料集成到织物中，为智能织物或粘附式医疗植入物铺平道路。目前，现有的可穿戴技术中，电子元件通常通过手腕带笨拙地连接。然而，凭借这些新材料，手腕带本身就可以整合电子功能。
“这代表了材料科学和软材料研究中的全新概念，”领导这项研究的西北大学的塞缪尔·I·斯图普说。“我们设想一个未来，衬衫可以内置空调，或者柔软的生物活性植入物可以模仿组织，并可无线激活以增强心脏或大脑的功能。”
“这些应用需要电信号和生物信号，但传统的电活性材料无法支持它们。在我们的器官或人们穿着的衣物中引入刚性材料是不切实际的。我们需要将电信号集成到软材料中，而这正是我们在这项研究中取得的成就。”
斯图普是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授。十多年来，他一直是美国能源部支持的生物启发能源科学中心的主任，该研究也来源于此。斯图普实验室的研究助理杨扬是论文的第一作者。
肽与塑料结合实现真正的创新
这种开创性材料的核心在于肽类两亲分子，这是一种以前在斯图普实验室中开发的多功能分子框架。这些自组装结构在水中形成细丝，并在再生医学中显示出前景。分子设计包括肽和脂质片段，促进了水中的自组装过程。
在这项研究中，团队用来自一种名为聚偏二氟乙烯（PVDF）的塑料的小分子片段替代了脂质尾。但他们保留了由氨基酸序列组成的肽段。PVDF通常用于音频和声纳应用，并具有独特的电性能，在被压缩或拉伸时会产生电信号，这种特性称为压电性。它还是一种铁电材料，这意味着它可以通过外部电压改变其极性取向。大多数现有铁电材料是固体，并且通常包含稀有或有害金属，如铅和铌。
“PVDF是在20世纪60年代末发现的，它是首个被识别出具有铁电特性的塑料，”斯图普说。“它将塑料的耐用性与其电性能结合在一起，成为先进技术的宝贵材料。然而，在纯形式中，其铁电稳定性不可靠，如果超过称为居里温度的特定温度，它将永久失去极性。”
所有塑料，包括PVDF，都是由聚合物组成的——由数千个化学构建块组成的大分子。在这项研究中，斯图普的团队精准地创造了只包含3到7个偏二氟乙烯单位的微型聚合物。特别地，具有四个、五个或六个单位的微型片段由于其蛋白质中的β-折叠结构而自然组织成稳定的铁电状态。
“实现这一目标并不简单，”斯图普指出。“肽与塑料的意外合作导致了重要的突破。”
这些新材料表现出与PVDF类似的铁电性和压电性，其电活性形式稳定，能够在非常低的外部电压下切换极性。这为节能电子设备和可持续纳米级设备铺平了道路。研究人员还预见通过将生物活性信号附加到肽片段来开发创新的生物医学技术，这一方法已在斯图普的再生医学研究中成功应用。这结合了电活性材料的独特特性和生物活性特征。
水的魔力
为了形成这些可持续结构，斯图普的团队只需添加水以启动自组装过程。在浸泡材料后，斯图普惊讶地发现它们展现出PVDF所需的铁电特性。
响应于外部电场，铁电材料会改变其极性取向，就像将磁铁从北极翻转到南极再返回。这一特性对构建信息存储设备至关重要，是人工智能解决方案的关键组件。令人惊讶的是，研究人员发现肽序列中的“突变”可以调节与铁电性相关的特性，甚至将这些结构转换为理想的材料，用于执行或储存能量，称为“弛豫相”。
“在生物环境中，肽序列的突变可能导致疾病或生物优势，”斯图普解释道。“在我们的新材料中，我们突变肽以调整其特性以便于实际应用。
“通过纳米级电极，我们可以将大量自组装结构暴露于电场中。我们可以轻松地以低电压翻转它们的极性，将一个位置指定为“1”，反方向指定为“0”。这创建了用于数据存储的二进制代码。此外，这些材料是“多轴的”，意味着它们可以在不同的方向上发展极性，而不仅仅是一个或两个特定方向。”
无与伦比的低功率
与传统的柔性铁电材料如PVDF不同，这些新结构需要的外部电压极低。
“反转其极性所需的能量是文献中记录的多轴柔性铁电材料中最低的，”斯图普表示。“这可能会在我们日益高需求的世界中显著节省能源。”
此外，这些新材料具有固有的环境优势。与在环境中可以存在数百年的典型塑料不同，斯图普实验室开发的材料可能是生物可降解的，或者可以在不依赖有害、有毒溶剂或高能耗过程的情况下进行再利用。
“我们目前正在探索铁电材料的非常规应用，包括生物医学设备和植入物，以及对可再生能源至关重要的催化过程，”斯图普说。“由于在我们的新材料中使用了肽，它们可以与生物信号功能化。我们热切期待这些新发展。”
