贻贝强度的奥秘:仿贻贝足丝材料

贻贝足丝有着惊人的粘合性能和机械性能,可将其自身锚定在物体表面上,所以仿贻贝材料的研究在近年来持续升温。足丝中富含铁和左旋多巴(英文缩写DOPA),后者是在侧链上有个儿茶酚结构的氨基酸,它在贻贝的粘性蛋白中很常见。贻贝通过在碱性的海水中分泌酸性的前驱体形成足丝。早先的研究表明铁和左旋多巴的配位作用造成了多巴之间的相互交叉偶联,这种偶联通常喜欢发生在高pH的环境中。除了参与配位作用,铁还有可能与儿茶酚基团发生反应形成共价交联体,以加强足丝的机械性能。

在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)中发表的这项工作中,美国西北大学和芝加哥大学的研究人员通过将三价铁离子跟儿茶酚高分子混合形成高分子交联网络,并在不同酸碱度下研究了足丝化过程及其相应的化学和机械强度变化。由飞利浦﹒梅瑟史密斯领导的研究人员发现了三价铁离子和儿茶酚相互作用的新细节,并第一次直接证明了铁离子催化儿茶酚高分子发生共价交联的猜想。他们发现,在酸性条件下,三价铁离子和儿茶酚高分子会形成一个共价交联的弹性网络。这种网络的机械性能会随着pH增加而变得更加富有粘弹性,进而反映出碱性条件下三价铁离子-儿茶酚配合物的形成动力学。正是这些配位键才使得材料出奇地坚硬,它们会在材料变形时断裂,也会在材料还原时再度生成。

飞利浦和他的同事们发现增加三价铁离子和儿茶酚相互作用的复杂度有助于理解pH、铁离子及儿茶酚在贻贝足丝形成过程中的确切作用,同时他们还展示了通过模仿贻贝蛋白的形成过程可以在相当大的范围内控制人工材料的物理性能。

图片来源:flickr.com/Murky1 / CC BY-SA 2.0

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