肽和塑料结合制成节能材料

把坚硬的材料放在一边。城里有一种新的柔软、可持续的电活性材料，它有望为医疗设备、可穿戴技术和人机界面开辟新的可能性

西北大学材料科学家利用塑料中的肽和大分子片段，开发了由微小、柔韧的纳米级带状物制成的材料，这些带状物可以像电池一样充电，以存储能量或记录数字信息

这些系统具有高能效、生物相容性和可持续材料制成，可以产生新型超轻电子设备，同时减少电子制造和处置对环境的影响

这项名为“超分子偏二氟乙烯铁电相的肽编程”的研究于10月9日发表在《自然》杂志上

随着进一步的发展，这种新型软材料可用于低功耗、节能的微型存储芯片、传感器和储能单元。研究人员还可以将它们整合到编织纤维中，以制造智能织物或类似贴纸的医疗植入物

在当今的可穿戴设备中，电子产品用腕带笨拙地绑在身上。但是，有了新材料，腕带本身就可以进行电子活动

西北大学的Samuel I.Stupp领导了这项研究，他说：“这是材料科学和软材料研究中的一个全新概念。”

“我们设想一个未来，你可以穿一件内置空调的衬衫，或者依靠柔软的生物活性植入物，这些植入物感觉像组织，可以无线激活以改善心脏或大脑功能。

”这些用途需要电信号和生物信号，但我们无法用经典的电活性材料构建这些应用。将硬质材料放入我们的器官或人们可以穿的衬衫中是不切实际的。我们需要将电信号引入软材料领域。这正是我们在这项研究中所做的。“

Stupp是西北大学材料科学与工程、化学、医学和生物医学工程的董事会教授。能源部支持这项研究开始的生物启发能源科学中心。Stupp曾在麦考密克工程学院、温伯格艺术与科学学院和西北大学范伯格医学院任职。杨杨，Stupp实验室的研究助理，是该论文的第一作者

肽与塑料相遇，实现真正的创新

这种新材料背后的秘密是肽两亲物，这是Stupp实验室之前开发的一种多功能分子平台。这些自组装结构在水中形成细丝，在再生医学中已经显示出前景。这些分子含有肽和脂质段，当放入水中时，脂质段会驱动分子自组装

在这项新研究中，研究小组用一种名为聚偏二氟乙烯（PVDF）的塑料的微型分子片段替换了脂质尾部。但他们保留了包含氨基酸序列的肽段。PVDF通常用于音频和声纳技术，是一种具有不同寻常的电性能的塑料

当被按压或挤压时，它可以产生电信号——这是一种被称为压电性的特性。它也是一种铁电材料，这意味着它具有极性结构，可以使用外部电压将取向切换180度。技术中占主导地位的铁电体是硬质材料，通常包括稀有或有毒金属，如铅和铌

Stupp说：“PVDF是在20世纪60年代末发现的，是第一种具有铁电性能的塑料。”

“它具有塑料的所有坚固性，同时可用于电气设备。这使其成为先进技术的高价值材料。然而，在纯形式下，其铁电特性不稳定，如果加热到所谓的居里温度以上，它将不可逆地失去极性。”

所有塑料，包括PVDF，都含有聚合物，聚合物是通常由数千个化学结构单元组成的巨分子。在这项新研究中，Stupp实验室精确合成了仅含3至7个偏二氟乙烯单元的微型聚合物。有趣的是，具有4、5或6个单元的微型片段是由蛋白质中存在的天然β片结构编程的，以组织成稳定的铁电相

“这不是一项微不足道的任务，”Stupp说。“两种不太可能的合作伙伴——肽和塑料——的结合在许多方面取得了突破。”

不仅新材料与PVDF具有相同的铁电性和压电性，而且电活性形式稳定，能够使用极低的外部电压切换极性。这为低功耗电子产品和可持续的纳米级设备打开了大门

科学家们还设想通过将生物活性信号附加到肽段来开发新的生物医学技术，这是Stupp再生医学研究中已经使用的一种策略。这提供了具有生物活性的电活性材料的独特组合

只需加水

为了创造可持续的结构，Stupp的团队只需加水即可触发自组装过程。在浸渍材料后，Stupp惊讶地发现，它们实现了PVDF备受追捧的铁电性能

在存在外部电场的情况下，铁电材料会翻转其极性取向——类似于磁铁如何从北向南翻转，然后再翻转回来。该属性是存储信息的设备的关键组成部分，这是人工智能技术的一个重要特征

令人惊讶的是，研究人员发现肽序列中的“突变”可以调节与铁电性相关的特性，甚至将结构转化为理想的致动或储能材料，称为“弛豫相”。

Stupp说：“生物学中的肽序列突变是病理学或生物学优势的来源。”。“在新材料中，我们突变肽以调整其物理世界的性质。

”使用纳米级电极，我们可能会将天文数字的自组装结构暴露在电场中。我们可以用低电压翻转它们的极性，所以一个充当“一”，相反的方向充当“零”这形成了用于信息存储的二进制代码。与普通铁电体形成鲜明对比的是，这种新材料具有“多轴”特性，这意味着它们可以在一个圆周围的多个方向上产生极性，而不是在一个或两个特定方向上。“

破纪录的低功率

为了翻转它们的极性，即使是PVDF或其他聚合物等软铁电材料通常也需要大量的外部电场。然而，新结构需要非常低的电压。

”Stupp说：“翻转它们的磁极所需的能量是多轴软铁电体有史以来报道的最低能量。”“你可以想象，在日益耗能的时代，这将节省多少能量。”。“

这种新材料也具有与生俱来的环境效益。与在环境中停留了几个世纪的典型塑料不同，Stupp实验室的材料可以在不使用有害、有毒溶剂或高能工艺的情况下进行生物降解或再利用。

”Stupp说：“我们现在正在考虑将这种新结构用于铁电体的非传统应用，包括生物医学设备和植入物，以及在可再生能源中重要的催化过程。

“鉴于新材料中使用了肽，它们适合用生物信号进行功能化。”。我们对这些新方向感到非常兴奋。p