Nature子刊：仿生分层材料直接自组装可控制纳米纤维形态

【引言】

结构蛋白是天然的积木，可以聚集形成生物系统所需的同时具有一定硬度、结构、和功能的材料。在自然体系中，结构蛋白直接的自组装可以产生很多复杂的、多层的材料，展现出优异的物理化学性能。并且自组装过程的控制可以涉及从纳米尺度到宏观尺度，应用广泛。对于合成完整的、可适应性的材料和系统来说这无疑是一种理想的选择。

【成果简介】

近日，来自美国塔夫茨大学Fiorenzo G. Omenetto教授（通讯作者）等人发现使用再生蚕丝蛋白通过仿生的过程可以产生分层的并且在多尺度都具有清晰形态的结构，蛋白质自组装和微观机械约束的双重作用可以在预先设计好的宏观结构中形成定向的、多孔的纳米纤维网络。这些材料可以达到预定的物理机械性能并可以满足微观到宏观的需求。

【图文导读】

图1 纳米纤维结构机械张力介导的形成

a）直接组装方案的总体纲要。

b）样品微观尺度的双折射图像，从周期性的形态中（三角形、六边形和三个并列的六边形）产生的纳米纤维单元细胞，尺度条为100μm。

c）由三角形和三个六边形构成的大尺度结构

图2 纳米纤维序列的工程学图像

a）纤维压力分布的双折射和二维模拟

b）产生拉紧和松弛的纤维的设计总纲以及对应的双折射图像

c）一个环锚纤维的整体纳米纤维形态学与双折射图像

d，e）纳米纤维结构分别在高密度和低密度的扫描电子显微镜（SEM）图像

f）工程学的丝绸水凝胶在乙醇和水的混合物缩减以及相应的环形结构的双折射图像

图3 纳米纤维在二维、三维和四维之间的形态转换

a）在一个重新形成的环形间隔的锚的效果

b）模拟应力（上）、掺杂质的纳米荧光团颗粒的荧光性（中）、椭圆形收缩33%的双折射图像

c）紧紧按住中间的粱不同收缩率的图像C_I为10%-25%，C_m为25%-40%，C_h大于40%

d）三个维度的机械非线性模拟

e）薄纤维板的模拟

f）结构随时间变化湿度控制的高度演化四维制图

g）较高湿度的纳米纤维结构演化图像

图4 纳米纤维结构的功能

a）无掺杂的和掺杂质的部分纳米纤维结构测试

b）各向异性的热分布制图

c）纳米纤维结构通过纳米颗粒的电浆吸收被加热时拉紧的和没拉紧的分层结构的红外温度记录

d）多层纳米纤维结构的图像

e）大尺度的网状结构显示出有特点的蓝色分散状

f）网状结构在纳米、微观和宏观尺度的双折射图像

g）在两偏光膜之间摄像机拍摄的网状结构

h,i）月2.5mg的纳米纤维网状结构承载11g的载荷

【总结】

这种在微观和宏观尺度上都可以清晰观察到形态的结构同时又兼具物理机械性能可以促使该领域更好的发展，并且可以让三维的结构在多尺度范围得到更好的应用。

文献链接：Directed assembly of bio-inspired hierarchical materials with controlled nanofibrillar architectures（Nat. Nanotech.,2017,DOI: 10.1038/NNANO.2017.4)