Aquamelt - Aquamelt

An aquamelt je přirozeně hydratovaný polymerní materiál, který je schopen tuhnout při teplotách prostředí řízeným vstupem napětí (ať už mechanickým nebo chemickým).

Jsou jedineční v tom, že mohou „uzamknout“ práci, která se na ně vztahuje změnou vodíkové vazby, což jim umožňuje zpracovat přibližně 1 000krát méně energie než standardní polymery.[1] To se nedávno ukázalo jako archetypální biopolymer, hedvábí,[2] avšak mechanismus tuhnutí je považován za inherentní mnoha dalším biologickým materiálům.[3][4]

Objev a mechanismus

Aquamelty byly definovány jako nová třída polymerního materiálu jako výsledek srovnání mezi zvlákňovací surovinou čínského bource morušového (Bombyx mori ) a roztavený polyethylen s vysokou hustotou (HDPE)[2] použitím zobrazování polarizovaného světla střihem (SIPLI).[5]

Současné chápání smykové fibrilace vyžaduje polymerní řetězce podstoupit následující sérii kroků i) molekuly s dlouhým řetězcem se protáhnou, ii) a vytvoří se perzistentní bodová jádra, která iii) se zarovnají pod proudem do řádků a poté iv) rostou za vzniku krystalických fibril.[2] Aby tato vlákna zůstala, musí být teplota vzorku snížena pod bod tavení polymerů. Tento proces je analogický s fibrilogenezí přírodních hedvábných polymerů, ve kterých bílkoviny zarovnat (znovu složit), nukleovat (denaturace ) a krystalizovat (agregovat). U hedvábí však fibrily přetrvávají, aniž by bylo nutné snižovat teplotu.[6][7]

Z makromolekulárního hlediska jsou tyto dva procesy považovány za podobné díky jedinečné interakci nativního proteinu s úzce vázanou vodou.[3][4] Podobně jako jednotlivý polymerní řetězec v tavenině lze nativní protein a jeho těsně vázané molekuly vody považovat nikoli za řešení, ale za jedinou zpracovatelnou entitu, nanokompozit označovaný jako „aquamelt“.

Rozdíly mezi typickým polymerem a aquameltem jsou zvýrazněny schopností aquameltu tuhnout v reakci na stres při teplotách prostředí. K tomu dochází, když je aplikované napětí dostatečné k oddělení těsně vázané vody od proteinu a rozložení nanokompozitu. To má za následek konformační změny proteinu a zvýšenou pravděpodobnost vytvoření vodíkové vazby mezi proteinovými řetězci a následného tuhnutí.[4] Víceúrovňové struktury, tj. fibrily nebo pěny jsou výsledkem kombinace směrových napěťových polí a vlastností vlastní montáže aquameltu.[7][8]

Potenciální použití

Aquamelts nabízí oproti současným řešením několik výhod syntetický polymer Výroba. Nejprve jsou získávány přirozeně, bez spoléhání se na olej pro výrobu a jsou recyklovatelné a biologicky odbouratelný. Zadruhé je lze zpracovat na adrese pokojové teploty a tlaky, jejichž výsledkem je pouze voda jako vedlejší produkt z procesu tuhnutí. Za třetí, pracovní výpočty prováděné na surovinách z hedvábí a polyethylenu s vysokou hustotou odhalily desetinásobný rozdíl v množství smykové energie potřebné k zahájení tuhnutí.[9] Když se vezme v úvahu teplota zpracování, rozdíl v energetických požadavcích na tuhnutí je u akvamelů tisíckrát menší než u syntetických polymerů.[1]

Reference

  1. ^ A b „Jak bource morušového porazili vědce o polymerech - tajemství Aquamelt“. Vědecká debata. 25. listopadu 2011. Citováno 10. dubna 2012.
  2. ^ A b C Holland, C; Vollrath, F; Ryan, A; Mykhaylyk, O (2012). „Hedvábí a syntetické polymery: sladění 100 stupňů separace“. Pokročilé materiály. 24 (1): 105–109. doi:10.1002 / adma.201103664. PMID  22109705.
  3. ^ A b Porter, D; Vollrath, F (2008). „Role kinetiky vazby vody a amidů na stabilitu proteinu“. Měkká hmota. 4 (1): 328–336. Bibcode:2008SMat .... 4..328P. doi:10.1039 / B713972A.
  4. ^ A b C Porter, D; Vollrath, F (2012). "Mobilita vody, denaturace a skelný přechod v bílkovinách". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bílkoviny a proteomika. 1824 (6): 785–791. doi:10.1016 / j.bbapap.2012.03.007. PMID  22465032.
  5. ^ Mykhaylyk, O (2010). „Časově rozlišené zobrazování polarizovaného světla stříhaných materiálů: aplikace na krystalizaci polymeru“. Měkká hmota. 6 (18): 4430–4440. Bibcode:2010SMat .... 6,4430 mil. doi:10.1039 / C0SM00332H.
  6. ^ Boulet-Audet, M; Vollrath, F; Holland, C (2011). „Rheo-atenuovaná celková odrazivost infračervené spektroskopie: nový nástroj ke studiu biopolymerů“. Fyzikální chemie Chemická fyzika. 13 (9): 3979–3984. Bibcode:2011PCCP ... 13.3979B. doi:10.1039 / C0CP02599B. PMID  21240437.
  7. ^ A b Holland, C; Urbach, J; Blair, D (2012). „Přímá vizualizace hedvábné fibrillogeneze závislé na smyku“ (PDF). Měkká hmota. 8 (9): 2590–2594. Bibcode:2012SMat .... 8.2590H. doi:10.1039 / C2SM06886A.
  8. ^ Guan, J; Porter, D; K, Tian; Zhengzhong, S; Chen, X (2010). "Morfologie a mechanické vlastnosti sojových proteinových lešení vyrobených směrovým zmrazením". Journal of Applied Polymer Science. 118 (3): 328–336. doi:10,1002 / app.32579.
  9. ^ Chelsea Whyte (23. listopadu 2011). „Tváří v tvář superúčinnému bource morušového“. Nový vědec. Citováno 10. dubna 2012.