仿生蛋白質(zhì)創(chuàng)造二維分層復(fù)合材料 具有抗斷裂和很強(qiáng)的彈性

據(jù)最新一期《美國國家科學(xué)院院刊》報(bào)道，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員利用魷魚環(huán)齒上的仿生蛋白質(zhì)創(chuàng)造了一種復(fù)合的層狀二維材料，這種材料具有抗斷裂和很強(qiáng)的彈性。

大自然創(chuàng)造出像骨頭、貝殼這樣的分層材料，正是這種多級結(jié)構(gòu)才確保了骨頭具有極高的抗斷裂強(qiáng)度，得以支撐龐大的身體。骨頭中含有無數(shù)空隙，然而，隨著生長發(fā)育，它對缺陷的敏感度會(huì)降低。這意味著即使骨頭已經(jīng)含有諸多“缺陷”，也依然具有較高的強(qiáng)度。

賓夕法尼亞州立大學(xué)高級纖維技術(shù)中心主任、勞埃德和多羅夕福爾哈克仿生材料主席梅利克·德米雷爾和多蘿西·福爾·哈克表示：“研究人員很少報(bào)告骨頭和貝殼的這種界面特性，因?yàn)樗茈y通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量。”

以此為靈感，新開發(fā)的復(fù)合二維材料是由像石墨烯或MXene(通常是過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物)這樣的原子層厚的硬材料組成的，這些材料之間被一層?xùn)|西黏合并隔開。雖然大塊石墨烯或MXene具有塊體性能，但二維復(fù)合材料的強(qiáng)度來自界面性質(zhì)。

德米雷爾介紹說，他們使用的是一種界面材料，可通過重復(fù)序列加以修改，從而能夠微調(diào)性質(zhì)，讓它變得靈活而強(qiáng)大。此外，這種材料還具有獨(dú)特的熱傳導(dǎo)性質(zhì)。

“這種材料很適合做跑鞋的鞋墊。”德米雷爾說，“它可以給腳部降溫，反復(fù)彎曲也不會(huì)把鞋墊弄壞。”這些二維復(fù)合材料還可用于柔性電路板、可穿戴設(shè)備和其他需要強(qiáng)度和靈活性的設(shè)備。

根據(jù)德米雷爾的說法，傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)理論無法解釋為什么這些材料既堅(jiān)固又靈活，但模擬表明，界面很重要。當(dāng)組成界面的材料比例較高時(shí)，當(dāng)材料受到壓力時(shí)，界面會(huì)發(fā)生局部斷裂，但作為整體的材料不會(huì)斷裂。

【總編輯圈點(diǎn)】

搜索“魷魚環(huán)齒”，會(huì)發(fā)現(xiàn)科研人員早已對它摩拳擦掌，開展過多項(xiàng)研究，并嘗試在不同領(lǐng)域應(yīng)用。魷魚環(huán)齒蛋白質(zhì)可被加工制成纖維和薄膜，可以替代塑料制品，提升織物的耐磨性，制作可穿戴設(shè)備……當(dāng)然，要大規(guī)模應(yīng)用這種仿生材料，需要先制造出仿生蛋白質(zhì)，畢竟也不能一只只抓住魷魚扒拉蛋白質(zhì)。本文中，科研人員用仿生蛋白質(zhì)制造出復(fù)合層狀材料，可以讓它又堅(jiān)固又靈活。從大自然的神奇生物身上，人類獲得了很多“外掛”，改造后為自己服務(wù)。(實(shí)習(xí)記者張佳欣)

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