研究人员构建了比钢更坚固的分子纳米纤维

自组装在自然界中无处不在，是在每个生物体中形成有组织结构的途径。例如，当两条 DNA 链在没有任何外部刺激或引导的情况下结合形成双螺旋时，或者当大量分子结合形成膜或其他重要细胞结构时，就可以看到这种现象。一切都归于其应有的位置，而没有一个看不见的建造者必须一次一个地把所有的部分放在一起。

在过去的几十年里，科学家和工程师一直跟随大自然的脚步，设计在水中自行组装的分子，目标是制造纳米结构，主要用于生物医学应用，如药物输送或组织工程。“这些基于小分子的材料往往会很快降解，”麻省理工学院材料科学与工程系 (DMSE) 助理教授 Julia Ortony 解释说，“而且它们在化学上也不稳定。当你使用它时，整个结构就会分崩离析。去除水分，尤其是在施加任何外力时。”

然而，她和她的团队设计了一类新的小分子，它们以前所未有的强度自发组装成纳米带，在水外保持其结构。Ortony 及其合著者于 1 月 21 日在《自然纳米技术》杂志上描述了这项多年努力的结果，可以激发广泛的应用。

“这项开创性的工作——通过高度控制的自组装产生了异常的机械性能——应该对该领域产生重大影响，”理化学研究所紧急物质科学中心副主任、化学和生物技术教授 Tazuko Aida 教授断言。东京大学，谁没有参与这项研究。

麻省理工学院团队构建的材料——或者更确切地说，允许自己构建——是以细胞膜为模型的。它的外部是“亲水的”，这意味着它喜欢在水中，而它的内部是“疏水的”，这意味着它试图避开水。Ortony 评论说，这种配置“为自组装提供了驱动力”，因为分子自己定向以最大限度地减少疏水区域和水之间的相互作用，从而呈现纳米级形状。

在这种情况下，形状是由水赋予的，通常整个结构在干燥时会坍塌。但是奥托尼和她的同事想出了一个计划来防止这种情况发生。当分子松散地结合在一起时，它们会像流体一样快速移动;随着分子间力的强度增加，运动减慢，分子呈固态。Ortony 解释说，这个想法“是通过对单个分子的微小修改来减缓分子运动，这可能会导致纳米结构的特性发生集体的、希望是戏剧性的变化。”

减慢分子的一种方法，博士 Ty Christoff-Tempesta 指出。该论文的学生和第一作者，“是让它们比在生物系统中更紧密地相互依存。” 当强氢键的密集网络将分子连接在一起时，就可以实现这一点。Christoff-Tempesta 说：“这就是让像 Kevlar 这样的材料——由所谓的‘芳纶’构成——具有化学稳定性和强度的原因。”

Ortony 的团队将这种能力结合到他们设计的分子中，该分子具有三个主要组成部分：喜欢与水相互作用的外部部分，中间的芳纶用于结合，以及内部对水有强烈的厌恶感。研究人员测试了数十种符合这些标准的分子，然后才找到导致纳米级厚度的长条带的设计。然后，作者测量了纳米带的强度和刚度，以了解在分子之间包含类似 Kevlar 的相互作用的影响。他们发现纳米带出人意料地坚固——实际上比钢还坚固。

这一发现让作者想知道是否可以将纳米带捆绑以生产稳定的宏观材料。Ortony 的团队设计了一种策略，将对齐的纳米带拉成可以干燥和处理的长线。值得注意的是，Ortony 的团队表明，这些线可以承受 200 倍于自身重量的重量，并且具有非常高的表面积——每克材料 200 平方米。Christoff-Tempesta 解释说：“这种高表面质量比通过用更少的材料进行更多的化学反应，为小型化技术提供了希望。” 为此，他们已经开发出纳米带，其表面涂有分子，可以将铅或砷等重金属从受污染的水中提取出来。

就她而言，Ortony 仍然对他们能够实现“调整物质的内部状态以创造异常强大的分子纳米结构”的最初研究目标感到惊讶。事情很容易反过来。这些材料可能被证明是杂乱无章的，或者它们的结构像它们的前辈一样脆弱，只能在水中支撑。但是，她说，“我们很高兴看到我们对分子结构的修改确实被分子的集体行为放大了，创造了具有极其强大的机械性能的纳米结构。下一步，找出最重要的应用，将是令人兴奋的.”

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