Peptit và nhựa kết hợp tạo ra vật liệu tiết kiệm năng lượng
bởi Đại học Northwestern
Hình minh họa này cho thấy viễn cảnh tương lai của các cụm phân tử được hình thành bởi peptit và các phân tử nhỏ từ vật liệu nhựa để tạo ra các cấu trúc sắt điện chuyển đổi cực để lưu trữ thông tin kỹ thuật số hoặc tín hiệu nơ-ron thần kinh. Nguồn: Mark Seniw/Trung tâm Y học Tái tạo/Đại học Northwestern
Hãy bỏ qua các vật liệu cứng, cứng. Có một vật liệu điện hoạt mềm, bền vững mới trong thị trấn—và nó sắp mở ra những khả năng mới cho các thiết bị y tế, công nghệ đeo được và giao diện người-máy tính.
Sử dụng peptit và một phần các phân tử lớn trong nhựa, các nhà khoa học vật liệu của Đại học Northwestern đã phát triển các vật liệu làm từ các dải nano nhỏ, linh hoạt có thể được sạc giống như pin để lưu trữ năng lượng hoặc ghi lại thông tin kỹ thuật số.
Có hiệu suất năng lượng cao, tương thích sinh học và được làm từ các vật liệu bền vững, các hệ thống này có thể tạo ra các loại thiết bị điện tử siêu nhẹ mới đồng thời giảm tác động đến môi trường của quá trình sản xuất và thải bỏ thiết bị điện tử.
Nghiên cứu "Lập trình peptide của pha sắt điện vinylidene fluoride siêu phân tử" đã được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 9 tháng 10.
Với sự phát triển hơn nữa, các vật liệu mềm mới có thể được sử dụng trong các chip nhớ vi mô tiết kiệm năng lượng, công suất thấp, cảm biến và đơn vị lưu trữ năng lượng. Các nhà nghiên cứu cũng có thể tích hợp chúng vào các sợi dệt để tạo ra vải thông minh hoặc các mô cấy y tế giống như nhãn dán.
Trong các thiết bị đeo được ngày nay, các thiết bị điện tử được gắn một cách vụng về vào cơ thể bằng một chiếc vòng đeo tay. Nhưng với các vật liệu mới, bản thân chiếc vòng đeo tay có thể có hoạt động điện tử.
"Đây là một khái niệm hoàn toàn mới trong khoa học vật liệu và nghiên cứu vật liệu mềm", Samuel I. Stupp của Northwestern, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.
"Chúng tôi hình dung ra một tương lai mà bạn có thể mặc một chiếc áo sơ mi có tích hợp điều hòa không khí hoặc dựa vào các mô cấy hoạt tính sinh học mềm có cảm giác như mô và được kích hoạt không dây để cải thiện chức năng tim hoặc não.
"Những ứng dụng đó đòi hỏi tín hiệu điện và sinh học, nhưng chúng tôi không thể xây dựng các ứng dụng đó bằng các vật liệu điện hoạt động cổ điển. Không thực tế khi đưa vật liệu cứng vào các cơ quan của chúng ta hoặc vào áo sơ mi mà mọi người có thể mặc. Chúng ta cần đưa tín hiệu điện vào thế giới vật liệu mềm. Đó chính xác là những gì chúng tôi đã làm trong nghiên cứu này."
Stupp là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Hóa học, Y học và Kỹ thuật Y sinh tại Northwestern.
Ông cũng đã phục vụ trong thập kỷ qua với tư cách là giám đốc của Trung tâm Khoa học Năng lượng Sinh học do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ hỗ trợ, nơi nghiên cứu này bắt đầu. Stupp được bổ nhiệm tại Trường Kỹ thuật McCormick, Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg và Trường Y khoa Feinberg thuộc Đại học Northwestern. Yang Yang, cộng sự nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Stupp, là tác giả đầu tiên của bài báo.
Peptide gặp nhựa để tạo ra sự đổi mới thực sự
Bí mật đằng sau vật liệu mới này là peptide amphiphiles, một nền tảng phân tử đa năng trước đây được phát triển trong phòng thí nghiệm của Stupp. Những cấu trúc tự lắp ráp này tạo thành các sợi trong nước và đã chứng minh được triển vọng trong y học tái tạo. Các phân tử chứa peptide và một phân đoạn lipid, thúc đẩy quá trình tự lắp ráp phân tử khi được đặt trong nước.
Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã thay thế đuôi lipid bằng một phân tử nhỏ của một loại nhựa gọi là polyvinylidene fluoride (PVDF). Nhưng họ vẫn giữ lại phân tử peptide, chứa các chuỗi axit amin. Thường được sử dụng trong công nghệ âm thanh và sonar, PVDF là một loại nhựa có đặc tính điện khác thường.
Nó có thể tạo ra tín hiệu điện khi bị ép hoặc bóp - một đặc tính được gọi là áp điện. Nó cũng là vật liệu sắt điện, có nghĩa là nó có cấu trúc phân cực có thể chuyển hướng 180 độ bằng điện áp bên ngoài. Các vật liệu sắt điện chiếm ưu thế trong công nghệ là vật liệu cứng và thường bao gồm các kim loại hiếm hoặc độc hại, chẳng hạn như chì và niobi.
"PVDF được phát hiện vào cuối những năm 1960 và là loại nhựa đầu tiên được biết đến có đặc tính sắt điện", Stupp cho biết.
"Nó có tất cả độ bền của nhựa trong khi vẫn hữu ích cho các thiết bị điện. Điều đó làm cho nó trở thành một vật liệu có giá trị rất cao cho các công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, ở dạng tinh khiết, đặc tính sắt điện của nó không ổn định và nếu được nung nóng trên nhiệt độ Curie, nó sẽ mất tính phân cực không thể đảo ngược".
Tất cả các loại nhựa, bao gồm cả PVDF, đều chứa polyme, là các phân tử khổng lồ thường bao gồm hàng nghìn đơn vị cấu trúc hóa học. Trong nghiên cứu mới, phòng thí nghiệm Stupp đã tổng hợp chính xác các polyme thu nhỏ chỉ với 3 đến 7 đơn vị vinylidene fluoride. Điều thú vị là các phân đoạn thu nhỏ với 4, 5 hoặc 6 đơn vị được lập trình bởi các cấu trúc tấm beta của tự nhiên, có trong protein, để tổ chức thành một pha sắt điện ổn định.
"Đó không phải là một nhiệm vụ dễ dàng", Stupp nói. "Sự kết hợp của hai
các đối tác—peptit và nhựa—đã dẫn đến một bước đột phá trong nhiều khía cạnh."
Các vật liệu mới không chỉ có tính chất sắt điện và áp điện ngang bằng PVDF mà các dạng điện hoạt động cũng ổn định, có khả năng chuyển đổi cực bằng điện áp bên ngoài cực thấp. Điều này mở ra cánh cửa cho các thiết bị điện tử công suất thấp và các thiết bị nano bền vững.
Các nhà khoa học cũng hình dung ra việc phát triển các công nghệ y sinh mới bằng cách gắn các tín hiệu hoạt tính sinh học vào các phân đoạn peptide, một chiến lược đã được sử dụng trong nghiên cứu y học tái tạo của Stupp. Điều này mang lại sự kết hợp độc đáo giữa các vật liệu hoạt động bằng điện cũng có tính chất hoạt tính sinh học.
Chỉ cần thêm nước
Để tạo ra các cấu trúc bền vững, nhóm của Stupp chỉ cần thêm nước để kích hoạt quá trình tự lắp ráp. Sau khi nhúng các vật liệu, Stupp đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng chúng đạt được các tính chất sắt điện rất được ưa chuộng của PVDF.
Khi có điện trường bên ngoài, các vật liệu sắt điện đảo ngược hướng cực của chúng—tương tự như cách nam châm có thể đảo ngược từ bắc sang nam và ngược lại. Tính chất này là thành phần chính của các thiết bị lưu trữ thông tin, một tính năng quan trọng đối với các công nghệ trí tuệ nhân tạo.
Đáng ngạc nhiên là các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng "đột biến" trong chuỗi peptide có thể điều chỉnh các đặc tính liên quan đến tính sắt điện hoặc thậm chí biến đổi các cấu trúc thành vật liệu lý tưởng cho quá trình kích hoạt hoặc lưu trữ năng lượng được gọi là "pha relaxor".
Stupp cho biết "Đột biến chuỗi peptide trong sinh học là nguồn gốc của các bệnh lý hoặc lợi thế sinh học". "Trong các vật liệu mới, chúng tôi đột biến peptide để điều chỉnh các đặc tính của chúng cho thế giới vật lý.
"Sử dụng điện cực nano, chúng tôi có khả năng phơi bày một số lượng lớn các cấu trúc tự lắp ráp với trường điện. Chúng tôi có thể đảo ngược cực của chúng bằng điện áp thấp, do đó, một đóng vai trò là 'một' và hướng ngược lại đóng vai trò là 'không'. Điều này tạo thành mã nhị phân để lưu trữ thông tin. Thêm vào tính linh hoạt của chúng, và trái ngược hoàn toàn với các vật liệu sắt điện thông thường, các vật liệu mới là 'đa trục'—có nghĩa là chúng có thể tạo ra cực tính theo nhiều hướng xung quanh một vòng tròn thay vì một hoặc hai hướng cụ thể."
Công suất thấp phá kỷ lục
Để đảo cực tính của chúng, ngay cả các vật liệu sắt điện mềm như PVDF hoặc các polyme khác thường cần một trường điện bên ngoài đáng kể. Tuy nhiên, các cấu trúc mới lại yêu cầu điện áp cực thấp.
"Năng lượng cần thiết để đảo cực của chúng là mức thấp nhất từng được báo cáo đối với các vật liệu sắt điện mềm đa trục", Stupp cho biết. "Bạn có thể tưởng tượng được điều này sẽ tiết kiệm được bao nhiêu năng lượng trong thời đại ngày càng thiếu năng lượng".
Các vật liệu mới cũng có lợi ích bẩm sinh về mặt môi trường. Không giống như nhựa thông thường, tồn tại trong môi trường trong nhiều thế kỷ, các vật liệu của phòng thí nghiệm Stupp có thể bị phân hủy sinh học hoặc tái sử dụng mà không cần sử dụng các dung môi độc hại, có hại hoặc các quy trình năng lượng cao.
"Chúng tôi hiện đang xem xét việc sử dụng các cấu trúc mới trong các ứng dụng không thông thường cho vật liệu sắt điện, bao gồm các thiết bị y sinh và cấy ghép cũng như các quy trình xúc tác quan trọng trong năng lượng tái tạo", Stupp cho biết.
"Với việc sử dụng peptide trong các vật liệu mới, chúng có thể được chức năng hóa bằng các tín hiệu sinh học. Chúng tôi rất hào hứng với những hướng đi mới này."
