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“纯素蜘蛛丝”制品可替代一次性塑料

2021-06-11 16:05:00 来源:科技日报

英国剑桥大学的研究人员模仿自然界中最坚固的材料之一——蜘蛛丝的特性,创造了一种基于植物的、可持续的、可伸缩的聚合物薄膜。这种新材料与当今使用的许多普通塑料一样坚固,可以取代许多普通家用产品中的一次性塑料。同时,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,也可实现工业化大规模生产。研究结果10日发表在《自然·通讯》杂志上。

领导这项研究的剑桥大学优素福·哈米德化学系的图玛斯·诺尔斯教授表示,蜘蛛丝这样的材料之所以如此坚固的关键原因之一是氢键在空间中规则地排列,而且密度非常高。

蛋白质具有分子自组织和自组装的倾向,特别是作为食品工业副产品的植物蛋白质含量丰富,可持续获得。该研究的合著者马克·罗德里格斯·加西亚博士研究如何在其他蛋白质中复制这种规则的自我排列。

研究人员将大豆分离蛋白(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。但是,像SPI这样的植物蛋白在水中的溶解性很差,因此很难控制它们自组装成有序的结构。此次,通过使用SPI,他们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”。

新技术使用环境友好的乙酸和水的混合物,结合超声波和高温,提高了SPI的溶解度。这种方法产生的蛋白质结构,在氢键形成的引导下具有增强的分子间相互作用。在第二步中,溶剂被去除,从而形成不溶于水的薄膜。

诺尔斯说:“因为所有的蛋白质都是由多肽链组成的,所以在合适的条件下,我们可以使植物蛋白质像蜘蛛丝一样自我组装。”蜘蛛体内的丝蛋白溶解在水溶液中,然后通过纺丝过程聚集成非常坚固的纤维,过程只需要很少的能量。

该材料具有与低密度聚乙烯等高性能工程塑料相当的性能。化学交联经常用于提高生物聚合物薄膜的性能和耐受性。最常用的交联剂是不可持续的,甚至可能有毒,而该新材料的优势在于多肽链的规则排列,这意味着不需要化学交联,因此此项技术不再用到有毒元素。

总编辑圈点

大自然的鬼斧神工塑造了蜘蛛的神奇属性。正是漫长的自然选择,促成了蛛丝这种2500多根纳米线组成、却极其纤细且兼具强度和韧性的物质。其至今仍是仿生学领域的重要研究目标之一。对蛛丝的破解和模拟,不但对现代技术的发展大有助益,还能如本文中的研究一样,对环境保护贡献一份重要力量。实习记者张佳欣

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