Struktury biodegradowalne mogą potencjalnie przekształcić energetykę, technologię informacyjną i zaawansowaną medycynę.
Odsuń się od twardych i sztywnych materiałów — dostępny jest nowy, miękki, zrównoważony materiał elektroaktywny, gotowy do odblokowania nowych możliwości w zakresie urządzeń medycznych, technologii noszenia i interfejsów człowiek-komputer.
Używając peptydów i fragmentów dużych cząsteczek w tworzywach sztucznych, Uniwersytet Północno-Zachodni Naukowcy zajmujący się materiałami opracowali materiały wykonane z maleńkich, elastycznych nanowstęg, które można ładować jak baterię w celu magazynowania energii lub zapisywania informacji cyfrowych. Wysoce energooszczędne, biokompatybilne i wykonane z materiałów zrównoważonych systemy mogą dać początek nowym typom ultralekkich urządzeń elektronicznych, zmniejszając jednocześnie wpływ produkcji i utylizacji elektroniki na środowisko.
Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Natura.
Dzięki dalszemu rozwojowi nowe miękkie materiały będą mogły zostać wykorzystane w energooszczędnych mikroskopijnych chipach pamięci, czujnikach i jednostkach magazynowania energii o niskim poborze mocy. Naukowcy mogliby także zintegrować je z tkanymi włóknami, aby stworzyć inteligentne tkaniny lub implanty medyczne przypominające naklejki. W dzisiejszych urządzeniach do noszenia elektronika jest przymocowana do ciała za pomocą opaski na nadgarstek. Ale dzięki nowym materiałom opaska się mógłby prowadzić działalność elektroniczną.
„To zupełnie nowa koncepcja w materiałoznawstwie i badaniach materiałów miękkich” – powiedział Samuel I. Stupp z Northwestern, który kierował badaniem. „Wyobrażamy sobie przyszłość, w której można będzie nosić koszulę z wbudowaną klimatyzacją lub polegać na miękkich bioaktywnych implantach, które w dotyku przypominają tkanki i są aktywowane bezprzewodowo w celu poprawy funkcjonowania serca lub mózgu.
„Te zastosowania wymagają sygnałów elektrycznych i biologicznych, ale nie możemy zbudować takich zastosowań przy użyciu klasycznych materiałów elektroaktywnych. Niepraktyczne jest umieszczanie twardych materiałów w naszych organach lub koszulach, które ludzie mogą nosić. Musimy wprowadzić sygnały elektryczne do świata miękkich materiałów. Właśnie to zrobiliśmy w tym badaniu.”
Stupp jest profesorem Rady Nadzorczej w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii, chemii, medycyny i inżynierii biomedycznej w Northwestern. Przez ostatnią dekadę pełnił także funkcję dyrektora Centrum Nauk o Energii Inspirowanej Bioinspiracjami, wspieranego przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, gdzie rozpoczęły się te badania. Stupp pracuje w McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences oraz Northwestern University Feinberg School of Medicine. Pierwszym autorem artykułu jest Yang Yang, pracownik naukowy w laboratorium Stuppa.
Peptydy spotykają się z tworzywami sztucznymi, tworząc prawdziwą innowację
Sekretem nowego materiału są amfifile peptydowe, wszechstronna platforma cząsteczek opracowana wcześniej w laboratorium Stuppa. Te samoorganizujące się struktury tworzą w wodzie włókna i okazały się już obiecujące w medycynie regeneracyjnej. Cząsteczki zawierają peptydy i segment lipidowy, który po umieszczeniu w wodzie napędza samoorganizację molekularną.
W nowym badaniu zespół zastąpił ogon lipidowy miniaturowym segmentem molekularnym tworzywa sztucznego zwanym polifluorkiem winylidenu (PVDF). Ale zachowali segment peptydowy, który zawiera sekwencje aminokwasy. Powszechnie stosowany w technologiach audio i sonarowych, PVDF to tworzywo sztuczne o niezwykłych właściwościach elektrycznych. Może generować sygnały elektryczne po naciśnięciu lub zciśnięciu – jest to właściwość znana jako piezoelektryczność. Jest to również materiał ferroelektryczny, co oznacza, że ma strukturę polarną, która może zmieniać orientację o 180 stopni za pomocą zewnętrznego napięcia. Dominującymi ferroelektrykami w technologii są materiały twarde i często zawierają metale rzadkie lub toksyczne, takie jak ołów i niob.
„PVDF został odkryty pod koniec lat 60. XX wieku i jest pierwszym znanym tworzywem sztucznym o właściwościach ferroelektrycznych” – powiedział Stupp. „Ma całą wytrzymałość plastiku, a jednocześnie jest przydatny w urządzeniach elektrycznych. To sprawia, że jest to materiał o bardzo wysokiej wartości dla zaawansowanych technologii. Jednak w czystej postaci jego charakter ferroelektryczny nie jest stabilny i po podgrzaniu powyżej tzw. temperatury Curie traci nieodwracalnie swoją polaryzację.
Wszystkie tworzywa sztuczne, w tym PVDF, zawierają polimery, które są gigantycznymi cząsteczkami, zwykle złożonymi z tysięcy chemicznych jednostek strukturalnych. W nowym badaniu laboratorium Stupp precyzyjnie zsyntetyzowało miniaturowe polimery zawierające zaledwie 3 do 7 jednostek fluorku winylidenu. Co ciekawe, miniaturowe segmenty zawierające 4, 5 lub 6 jednostek są zaprogramowane przez naturalne struktury beta-arkuszowe obecne w białkach tak, aby organizowały się w stabilną fazę ferroelektryczną.
„To nie było trywialne zadanie” – powiedział Stupp. „Połączenie dwóch nieoczekiwanych partnerów – peptydów i tworzyw sztucznych – doprowadziło do przełomu pod wieloma względami”.
Nowe materiały były nie tylko równie ferroelektryczne i piezoelektryczne jak PVDF, ale formy elektroaktywne były stabilne i umożliwiały zmianę polaryzacji przy użyciu wyjątkowo niskich napięć zewnętrznych. Otwiera to drzwi dla elektroniki małej mocy i zrównoważonego rozwoju nanoskala urządzenia. Naukowcy przewidują także opracowanie nowych technologii biomedycznych poprzez dołączenie bioaktywnych sygnałów do segmentów peptydowych, co jest strategią stosowaną już w badaniach Stuppa nad medycyną regeneracyjną. Zapewnia to unikalne połączenie materiałów aktywnych elektrycznie, które są również bioaktywne.
Po prostu dodaj wodę
Aby stworzyć zrównoważone konstrukcje, zespół Stuppa po prostu dodał wodę, aby uruchomić proces samomontażu. Po zanurzeniu materiałów Stupp ze zdumieniem stwierdził, że osiągnęły one bardzo pożądane właściwości ferroelektryczne PVDF.
W obecności zewnętrznego pola elektrycznego materiały ferroelektryczne zmieniają swoją polaryzację – podobnie jak magnes można obrócić z północy na południe i z powrotem. Ta właściwość jest kluczowym składnikiem urządzeń przechowujących informacje, co jest ważną cechą sztuczna inteligencja technologie. Co zaskakujące, badacze odkryli, że „mutacje” w sekwencji peptydów mogą dostroić właściwości związane z ferroelektrycznością, a nawet przekształcić struktury w materiały idealne do aktywacji lub magazynowania energii, zwane „fazami relaksacyjnymi”.
„Mutacje sekwencji peptydowych w biologii są źródłem patologii lub korzyści biologicznych” – powiedział Stupp. „W nowych materiałach mutujemy peptydy, aby dostosować ich właściwości do świata fizycznego.
„Korzystając z nanoelektrod, moglibyśmy potencjalnie wystawić astronomiczną liczbę samoorganizujących się struktur na działanie pól elektrycznych. Moglibyśmy odwrócić ich polaryzację za pomocą niskiego napięcia, tak aby jeden służył jako „jeden”, a przeciwny kierunek służył jako „zero”. Tworzy to kod binarny do przechowywania informacji. Co więcej, nowe materiały zwiększają ich wszechstronność i w dużym kontraście do zwykłych ferroelektryków, są „wieloosiowe”, co oznacza, że mogą generować polaryzację w wielu kierunkach wokół okręgu, a nie w jednym lub dwóch określonych kierunkach”.
Rekordowo niska moc
Aby zmienić polaryzację, nawet miękkie materiały ferroelektryczne, takie jak PVDF lub inne polimery, zazwyczaj wymagają znacznego zewnętrznego pola elektrycznego. Nowe konstrukcje wymagają jednak niewiarygodnie niskiego napięcia.
„Energia potrzebna do odwrócenia biegunów jest najniższa w historii odnotowana w przypadku wieloosiowych miękkich ferroelektryków” – powiedział Stupp. „Można sobie wyobrazić, ile energii pozwoli to zaoszczędzić w czasach coraz większego zapotrzebowania na energię”.
Nowe materiały mają także naturalne korzyści dla środowiska. W przeciwieństwie do typowych tworzyw sztucznych, które przez wieki zalegają w środowisku, materiały laboratorium Stupp mogą ulegać biodegradacji lub zostać ponownie wykorzystane bez użycia szkodliwych, toksycznych rozpuszczalników lub procesów wysokoenergetycznych.
„Rozważamy obecnie zastosowanie nowych struktur w niekonwencjonalnych zastosowaniach ferroelektryków, które obejmują urządzenia i implanty biomedyczne, a także procesy katalityczne ważne w energii odnawialnej” – powiedział Stupp. „Biorąc pod uwagę zastosowanie peptydów w nowych materiałach, nadają się one do funkcjonalizacji za pomocą sygnałów biologicznych. Jesteśmy bardzo podekscytowani tymi nowymi kierunkami.”
Odniesienie: „Programowanie peptydów supramolekularnych faz ferroelektrycznych fluorku winylidenu” autorstwa Yang Yanga, Hiroaki Sai, Simona A. Egnera, Ruomenga Qiu, Liama C. Palmera i Samuela I. Stuppa, 9 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08041-4
Badanie zostało wsparte przez Departament Energii USA (nagrody DE-SC0020884 i DE-SC0000989).
