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替代塑料制品!剑桥科学家开发出新材料——“

时间:2021-06-13 12:56 作者:admin 点击:

  近日,发表在国际学术期刊《Nature Communications(自然通讯)》上的一项新研究中,来自英国剑桥大学生物物理学和生物物理化学教授Tuomas Knowles领导的研究团队通过模仿自然界中最坚固的材料之一--蜘蛛丝的特性创造了一种聚合物薄膜。这种新材料的强度可媲美今天我们使用的许多普通塑料一样。因此,它可以取代大部分日常消费品中的塑料。

  这种材料是用一种新方法制造出来的,它将植物蛋白质组装成分子水平上模仿蚕丝的材料。这种高效节能的方法使用了可持续的成分,产生了一种类似塑料的独立薄膜,可以实现工业规模生产。不褪色的 结构性 颜色可以被添加到聚合物中,因此也可以被用来制作防水涂料。此外,该材料无须工业堆肥设备就可在大多数自然环境安全降解。

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  多年来,Knowles教授团队一直在研究蛋白质的行为。他的大部分研究集中在当蛋白质错误折叠或 行为不当 时会发生什么,及其与健康和人类疾病(主要是阿尔茨海默病)的关系。

  Knowles说:我们通常研究功能性蛋白质相互作用如何让我们保持健康,以及不规则的相互作用如何涉及疾病,尤其是阿尔茨海默症。同时,我发现我们的研究还可以解决可持续发展中的一个大问题:即塑料污染,这是一个惊喜。

  作为蛋白质研究的一部分,Knowles的团队开始对为什么像蜘蛛丝这样的材料在分子键非常脆弱的情况下如此坚固感兴趣。他们发现,使蜘蛛丝具有强度的关键特征之一是氢键在空间上有规律地排列,而且密度非常高。

  随后,他们开始研究如何在其他蛋白质中复制这种有规律的自组装。蛋白质具有分子自组织和自组装的倾向,尤其是植物衍生蛋白,其含量丰富,作为食品工业的副产品它们很容易获得。这是一种可持续的资源。

  研究第一作者、博士生Ayaka Kamada说:人们对植物蛋白的自组装知之甚少,通过填补这一知识空白,我们可以找到一次性塑料的替代品,这一点令人激动。

  在这项研究中,研究人员使用大豆分离蛋白(SPI)作为测试植物蛋白,因为作为豆油生产的副产品,SPI很容易获得。然而,像SPI这样的植物蛋白很难溶于水,因此也很难控制它们自组装成有序的结构。

  为此,研究人员使用了环境友好的乙酸和水的混合物,并结合和高温,提高了SPI的溶解度。这种方法产生了由氢键形成引导的具有增强的分子间相互作用的蛋白质结构。在第二步中,溶剂被去除,从而形成不溶于水的薄膜。

  因此,通过使用SPI,Knowles的团队成功在没有蜘蛛的情况下,复制了类似蜘蛛丝的结构,即所谓的“纯素蜘蛛丝”。

  Knowles说:因为所有的蛋白质都是由多肽链组成的,在适当的条件下,我们可以使植物蛋白像蜘蛛丝一样自组装,在蜘蛛体内,丝蛋白被溶解在水溶液中,然后通过需要很少能量的纺纱过程组装成一种极其坚固的纤维。其他研究人员一直在直接用蚕丝材料作为塑料替代品,但它们仍然是一种动物产品。在某种程度上,我们已经提出纯素蛛丝,并成功创造了同样的材料,而没有用蜘蛛。

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