蜘蛛与电池有什么共同点？到目前为止，什么都没有，但是G. Portale和他的同事在7月17日发表在《科学进展》上的研究中开发的材料可能会在将来改变这一情况。插图显示了一种坚固的膜，该膜使用蜘蛛丝启发的聚电解质制成，能够有效地传输质子。
合成聚合物改变了我们周围的世界，很难想象没有它们的世界。但是，他们确实有他们的问题。例如，从合成的观点来看，很难精确地控制它们的分子结构。这使得微调它们的某些特性（例如传输离子的能力）变得更加困难。为了克服这个问题，格罗宁根大学助理教授朱塞佩·波塔莱（Giuseppe Portale）决定从自然界中汲取灵感。研究结果发表在7月17日的《科学进展》上：一类新的聚合物，基于类蛋白质的材料，可作为质子导体，可能在未来的生物电子设备中有用。
“从我获得博士学位以来，我一直在从事质子传导材料的研究与开发，” Portale说。“我知道使材料传输质子的原因令人着迷，因此我在纳米级水平上优化结构以获得更大的电导率方面做了很多工作。”但是直到几年前，他才考虑将它们由类似蛋白质的生物结构制成的可能性。他与格罗宁根大学前同事安德烈亚斯·赫尔曼（Andreas Hermann）教授一起提出了这个想法，他现在在DWI –德国莱布尼兹互动材料研究所工作。Portale说：“我们可以立即看到质子传导生物聚合物对于生物电子或传感器等应用非常有用。”
蜘蛛丝启发质子传导膜的结构示意图（左）。蜘蛛丝般的β-折叠结构域组装在一起（中心）。它们的表面装饰有能够在较高的相对湿度下释放质子的羧酸基团（右图）。
但是首先，他们必须看看这个想法是否行得通。Portale：“我们的首要目标是证明我们可以通过调节每条聚合物链上可电离基团的数量来精确调节基于蛋白质的聚合物的质子传导性。”为此，研究人员制备了许多具有不同数量可电离基团（在这种情况下为羧酸基团）的非结构化生物聚合物。它们的质子电导率与每条链上带电荷的羧酸基团的数量呈线性比例关系。“这不是开创性的，每个人都知道这个概念。但是我们很高兴能够做出预期的工作，” Portale说。
下一步，Portal依靠他在合成聚合物领域的专业知识：“多年来，我已经了解到聚合物的纳米结构会极大地影响电导率。如果您具有正确的纳米结构，它可使电荷捆绑在一起并增加这些离子基团的局部浓度，从而大大提高质子的电导率。”由于第一批生物聚合物是完全无定形的，因此研究人员不得不改用其他材料。他们决定使用桶形的已知蛋白质。Portale解释说：“我们设计了这种桶状蛋白，并在其表面添加了含有碳环酸的链。”“这大大提高了电导率。”
这是荷兰格罗宁根大学高分子科学助理教授朱塞佩·波塔莱（Giuseppe Portale）。
不幸的是，桶状聚合物不是很实用。它没有机械强度，很难加工，因此Portale和他的同事们不得不寻找替代方案。他们降落在一种著名的天然聚合物：蜘蛛丝上。Portale说：“这是自然界中最引人入胜的材料之一，因为它非常结实，但也可以以许多不同的方式使用。”“我知道蜘蛛丝具有迷人的纳米结构，因此我们设计了一种蛋白质样的聚合物，该聚合物具有蜘蛛丝的主要结构，但被修饰以容纳碳环酸链。”
新颖的材料像魅力一样运转。Portale解释说：“我们发现它类似于蜘蛛丝在纳米级自组装，同时形成密集的带电基团簇，这对质子传导性非常有利。”“而且我们能够将其变成坚固的厘米大小的膜。”测得的质子传导率高于任何以前已知的生物材料，但据Portale称，它们还不存在：“这主要是基础工作。为了应用这种材料，我们确实必须对其进行改进并使其可处理。”
梦
但是，即使这项工作尚未完成，Portale和他的同事也可以梦想着使用他们的聚合物：“我们认为这种材料可以用作燃料电池中的膜。也许不是您在汽车和工厂中看到的大型燃料电池，而是小规模的情况。植入式生物电子设备（例如葡萄糖驱动的起搏器）的领域正在不断扩大。在未来的几年中，我们希望找出我们的聚合物是否可以在其中发挥作用，因为它已经具有生物相容性。”
在短期内，Portale主要考虑传感器。“我们在材料中测量的电导率受环境因素（例如湿度或温度）的影响。因此，如果您想在一定湿度下存储东西，可以将这种聚合物放在两个电极之间，然后测量是否有任何变化。”但是，在所有这些梦想成真之前，还有很多问题需要解答。“我为能够在分子规模上控制这些新材料并从头开始构建它们感到非常自豪。但是我们仍然必须学习很多有关它们的功能，看看是否可以进一步改进它们。”
参考：Chao Ma，Jingjin Dong，Marco Viviani，Isotta Tulini，Nicola Pontillo，Sourav Maity，Yu Zhou，Wouter H.Roos，Kiu Liu，Andreas Herrmann和朱塞佩·波塔莱（Giuseppe Portale），2020年7月17日，《科学进展》。
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