Kevlar启发的分子纳米纤维构造的比钢更强

麻省理工学院研究人员设计了在加入水时自发地形成纳米的小分子。这些分子包括kevlar启发的“芳纶”结构域，其设计为绿色，其将每个分子固定到位并导致纳米比钢的纳米杆。分子的一部分吸引或从水中擦除，分别以紫色和蓝色显示，定向和引导分子以形成纳米结构。此图像描绘了三个Kevlar启发的“芳纶两亲”纳米波利伯堡。

Kevlar启发分子的自组装导致具有稳健性的结构，为固态应用提供新材料。

自然界中的自我汇编是普遍存在的，作为一种在每种生物体中形成有组织结构的途径。例如，当两条DNA - 没有任何外部发出或引导 - 连接以形成双螺旋，或者大量分子结合以产生膜或其他重要细胞结构时，可以看到这种现象。一切都在没有一个看不见的建造者的情况下进入正确的地方，一次一个人会一起把所有的作品放在一起。

过去几十年来，科学家和工程师一直在遵循大自然的铅，设计分子，这些分子在水中组装在水中，其目的是制造纳米结构，主要用于药品递送或组织工程等生物医学应用。“这些基于小型分子的材料往往会迅速降低，”麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）助理教授Julia Ortony解释说，“他们也是化学上不稳定的。当你去除水时，整个结构脱落，特别是当应用任何类型的外力时。“

然而，她和她的团队已经设计了一类新的小分子，这些小分子自发地组装成纳米队，以前所未有的强度，保持其在水外的结构。这一多年努力的结果可以激发广泛的应用，于2021年1月21日，由Ortony和Coauthors在自然纳米技术中描述。

Julia Orton（左）教授和博士生Yukio Cho。Ortony和她的团队设计了一类新的小分子，自发地组装成纳米队，具有前所未有的强度，将它们的结构保持在水外。

“这项精美作品 - 通过高度控制的自我组装产生了异常的机械性能 - 应该对该领域产生很大影响，”Tazuko Aida副主任Tazuko Aida，Riken Center副主任，瑞克斯科学教授和化学和生物技术教授东京大学没有参与研究。

构建的MIT组的材料 - 或者允许构建自身 - 在细胞膜之后建模。它的外部是“亲水”，这意味着它喜欢在水中，而其内部部分是“疏水”，这意味着它试图避免水。这种配置，奥顿的评论“为自组装提供了驱动力”，作为自身的分子，以最小化疏水区和水之间的相互作用，因此采用纳米级形状。

博士学生Ty Christoff-Tempesta在实验室工作。

在这种情况下，这种形状由水赋予，通常整个结构在干燥时会塌陷。但奥顿和她的同事提出了一个计划，以保持这种情况。当分子松散地绑定在一起时，它们快速移动，类似于流体;随着分子间力的强度增加，运动减速和分子呈现固体状态。这个想法，Ortony解释说，“是通过对近分子的小修饰来缓慢分子运动，这可以导致集体，并且希望戏剧性地变化纳米结构的性质。”

减慢分子的一种方式，注意Ty Christoff-Tempesta，博士学位学生和本文的第一作者，“将他们更加强烈地互相坚持，比生物系统更强烈。”当强氢键的密集网络连接在一起时，可以实现。“这就是凯夫拉斯这样的材料 - 由所谓的”芳纶“ - 它的化学稳定性和力量构成，”克里斯托 - 坦佩斯国家。

Ortony的团队将这种能力纳入了具有三个主要成分的分子设计：喜欢与水相互作用的外部，中间的芳族聚酰胺，以及具有强烈厌恶水的内部部分。研究人员在找到具有纳米尺度厚度的长带的设计之前测试了几十个符合这些标准的分子。然后，作者测量了纳米波堡的强度和刚度，以了解包括分子之间的kevlar样相互作用的影响。他们发现纳米波兰人出乎意料地坚固 - 比钢更强。

这一发现导致作者想知道纳米杆是否可以捆绑生产稳定的宏观材料。Ortony的团队设计了一种策略，将纳米队的对齐纳米被拉入可以干燥和处理的长线。值得注意的是，Ortony的团队表明，线程可以容纳200次其自身重量，并且具有极高的表面积 - 200平方米，每克材料。“这种高度的大质量比例为小型化技术提供了较为较少的材料，”克里斯托 - 坦佩斯解释道。为此，它们已经开发出纳米杆，其表面涂有可以拉出重金属的分子，如铅或砷，从污染的水中涂抹。研究组的其他努力旨在使用电子设备和电池中的捆绑纳米。

对于她的部分而言，奥顿仍然是惊讶的，他们能够实现他们的原始研究目标，即“调整内部物质以创造出特殊的分子纳米结构”。事情很容易走走;这些材料可能已被证明是混乱的，或者它们的结构脆弱，如他们的前辈，只能在水中升起。但是，她说，“我们很高兴看到我们对分子结构的修饰确实被分子的集体行为放大，产生具有极其稳健的机械性能的纳米结构。下一步，弄清楚最重要的应用程序，将是令人兴奋的。“

参考：“通过Ty Christoff-Tempesta，Yukio Cho，Dae-Yoon Kim，Michela Geri，Guillaume Lamour，Andrew J. Lew，Xiaobing Zuo，William R. Lindemann和威廉R. Lindemann和威廉·吕， Julia H. Ortony，18年1月2021，Nature Nanotechnology.doi：
10.1038 / S41565-020-00840-W

该工作得到了国家科学基金会，AMAR G. Bose Research Grant计划，Abdul Latif Jameel水和食品系统实验室（J-WAFS）得到了支持。