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2018
02-02

蠕虫的材料加强,响应其环境而变化


一种自然适应环境变化的新材料受到海洋蠕虫下颌的强度,稳定性和机械性能的启发。蛋白质材料由土木与环境工程系(CEE)原子分子力学实验室(LAMM)的研究人员设计和建模,并与空军研究实验室(AFRL)在Wright-俄亥俄州帕特森空军基地根据pH值和离子浓度的变化进行膨胀和收缩。它是通过研究 Nereis virens (一种沙虫)的下颌如何在不同的环境中形成和适应而开发的。

由此产生的pH和离子敏感材料能够对其环境作出反应并作出反应。理解这种自然发生的过程对于无需使用外部电源或复杂的电子控制装置的软机器人和传感器的致动器的运动或变形的主动控制特别有帮助。它也可以用来建立自治的结构。

“通过从化学水平开始改变其层次结构,显着改变材料性能的能力为调整材料提供了令人振奋的新机会,并将自然材料设计建立在新的工程应用上”,Markus J.迈克菲工程学教授Buehler,CEE负责人,论文的资深作者。

Nereis virens蠕虫激发了MIT原子和分子力学实验室的新研究。它的下颚由软质有机材料制成,但与人类牙本质等较硬材料一样坚固。图片来源:Alexander Semenov / Wikimedia Commons

这项发表在 ACS Nano,的研究表明,根据环境中离子和pH值的不同,蛋白质材料会膨胀并收缩成不同的几何图案。当条件再次变化时,材料恢复到原来的形状。这使得它特别适用于具有可调机构的智能复合材料以及使用pH值和离子条件改变材料刚度或产生功能变形的自供电机器人。

在海洋蠕虫的坚固,稳定的下颚找到灵感

为了创造出可用于软机器人,传感器和其他用途(例如受 Nereis 灵感启发)的生物启发材料, LAMM和AFRL的工程师和科学家需要首先了解这些蠕虫在 Nereis 蠕虫中是如何形成的,以及它们最终如何在各种环境中行为。这种理解涉及到模型的发展,该模型涵盖了从原子级别到所有不同的长度尺度,并且能够预测材料行为。这个模型有助于充分理解 Nereis 蠕虫及其特殊的强度。 CEE研究科学家Francisco Martin-Martinez说:“与AFRL合作使我们有机会将原子模拟与实验结合起来。 AFRL通过实验合成了一种水凝胶,一种主要由水制成的凝胶状材料,由重组Nvjp-1蛋白质组成,负责 Nereis 颌骨的结构稳定性和令人印象深刻的机械性能。水凝胶被用来测试蛋白质如何收缩,并根据环境中的pH和离子来改变行为。

31133431 Nereis 下巴主要由有机物质制成,这意味着它是一种类似于明胶的柔软的蛋白质材料。尽管如此,已经报道其硬度在0.4和0.8千兆帕(GPa)之间的强度类似于像人牙本质这样的较硬材料的强度。 Buehler说:“这种具有和Jell-O一致性的软质蛋白质材料可以和人类牙本质和骨头等硬材料中发现的钙化矿物一样强大。

在麻省理工学院,研究人员在分子水平上研究了 Nereis 下颚的组成,看看是什么使下巴如此强大和适应性。在这种规模下,金属配位交联,分子结构中金属的存在提供了使材料更坚固并且相同 时间使得分子键更具动态性,并最终能够应对不断变化的条件。在宏观尺度上,这些动态的金属 - 蛋白质键导致膨胀/收缩行为。

将AFRL的蛋白质结构研究与LAMM,Buehler,Martin-Martinez,CEE研究科学家Zhao Qin和前博士生Chia-Ching Chou '15的分子理解相结合,创建了一个多尺度模型,能够预测机械包含这种蛋白质的物质在各种环境中的行为。 Martin-Martinez说:“这些原子模拟帮助我们可视化了这些材料的机械性能所支持的原子排列和分子构象。

具体而言,考虑到生物和机械特性,研究小组使用该模型能够设计,测试和可视化不同分子网络如何变化并适应各种pH值水平。

通过查看 Nereis virens 的分子和生物学组成,并使用所得蛋白质材料的力学行为的预测模型,LAMM研究人员能够更全面地了解不同尺度的蛋白质材料并提供全面了解这种蛋白质材料如何在不同的pH环境中形成和表现。这种理解为软机器人和传感器提供了新的材料设计。

识别环境特性与材料运动之间的联系

预测模型解释了pH敏感材料如何改变形状和行为,研究人员用这些材料来设计新的PH变化几何结构。根据在蛋白质材料中测试的原始几何形状及其周围的特性,LAMM研究人员发现,当pH水平改变时,该材料或者螺旋形或者采取类似壳的形状。这些仅仅是这种新材料可能用于开发软机器人,传感器和自主结构的潜力的一些例子。

使用预测模型,研究小组发现,材料不仅改变形式,而且当pH值变化时,材料也恢复到原来的形状。在分子水平上,蛋白质中存在的组氨酸氨基酸与环境中的离子强烈结合。氨基酸和金属离子之间的这种非常局部的化学反应对蛋白质的整体构象有较大的影响。当环境条件变化时,组氨酸 - 金属相互作用发生相应的变化,从而影响蛋白质的构象,从而影响物质的反应。

“改变pH值或改变离子就像翻转开关。你打开或关闭,取决于你选择的环境,水凝胶扩展或合同,“马丁马丁内斯说。

LAMM发现,在分子水平上,当环境中含有锌离子和一定的pH值时,蛋白质材料的结构得到加强。这在材料的分子结构中产生更稳定的金属配位交联,这使得分子更加动态和灵活。

对材料设计及其灵活性的深入了解对于pH值不断变化的环境非常有用。它对变化的酸度水平的反应可以用于软机器人。 “大多数软机器人需要电源来驱动运动,并被复杂的电子设备所控制。我们对多功能材料的设计工作可能提供另一个途径,直接控制没有电子设备的材料性能和变形。

LAMM研究人员通过研究和建模分子构成和主要蛋白质的行为,负责机械性能理想的颚性能,LAMM的研究人员能够将环境特性与材料中的运动联系起来,并有更全面的了解 Nereis 下巴的实力。

来源:MIT,由Carolyn Schmitt编写土木与环境工程系