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科学新闻
来自研究机构

从自然奇迹中汲取灵感,制造新材料

研究人员模仿了猪鬃蠕虫的下颌系统结构

日期:
2019年8月19日
来源:
特拉华大学
简介:
这种会变形的刚毛蠕虫有一种独特的能力,可以将下巴伸出嘴外,诱捕受惊的猎物。金属配位化学使这一自然奇观成为可能,也可以成为创造用于传感器、医疗保健应用等新材料的关键。
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一种微小的鬃毛蠕虫,在海洋中蠕动,可以把它的下巴伸出嘴外来诱捕猎物。这种蠕虫可变形的下颚,底部坚硬,末端灵活,是由一种含有矿物质锌和氨基酸组氨酸的单一材料制成的,这两种物质通过所谓的金属配位化学作用共同控制着关节的机械行为。

特拉华大学材料科学与工程、化学与生物分子工程杰出副教授LaShanda Korley等科学家希望在合成材料中重现这些化学物质,并构建类似的结构。通过这样做,他们可以开发新的、改进的材料,用于传感器、医疗保健应用等。这样的化学物质在自然界中无处不在。例如,人类血液中的铁蛋白相互作用可能是疾病的决定因素。

在2019年7月出版的《科学》杂志上发表的一篇论文中欧洲聚合物杂志在材料科学与工程博士生蔡斯·汤普森(Chase Thompson)和博士后助理苏拉夫·查特吉(Sourav Chatterjee)的帮助下,Korley博士描述了他们是如何构建一个由锌和聚合物制成的材料网络的,该网络模仿了猪毛蠕虫下颚的机械梯度。

这个项目是五年多工作的高潮,由美国国家科学基金会资助。Korley说:“我们的目标是利用天然材料系统来了解如何通过结合动态和永久结构来控制结构特征的相互作用,特别是机械性能。”

她说:“我们的想法是:你能否把两个彼此不太喜欢的东西放在一起,并利用动力学的概念来控制系统中能量的释放方式,这与机械行为有关?”

研究小组通过在共价交联的聚乙二醇网络中加入锌配位的超分子聚合物,模拟了猪毛蠕虫颌部系统的结构。在适当的浓度下,他们发现它们可以控制材料的机械性能。“我们用来容纳这些动态相互作用的永久网络是实现这些梯度结构的良好平台,”汤普森说。接下来,他计划研究影响这些材料形状记忆和其他特性的方法。

Korley利用大自然的灵感来设计各种材料。她是PIRE:仿生材料和系统的首席研究员,该项目由美国国家科学基金会资助,为期五年,耗资550万美元。

通过这个项目,Korley和凯斯西储大学、加州大学圣地亚哥分校、芝加哥大学、瑞士弗里堡大学和英国斯特拉斯克莱德大学的合作者正在研究和开发能够根据环境改变韧性的材料,是更安全、更有效的生物植入物,可以传输类似神经的电信号,并能对环境做出反应,启动生物过程。所有用于软机器人应用。

例如,研究人员正在研究如何制造像蜘蛛丝一样坚固的材料,以及根据湿度改变形状的材料,比如松果,它在干燥条件下打开,在潮湿条件下关闭。他们还利用他们发现的独特材料特性来开发新的3D打印材料。

软材料和聚合物的研究一直是特拉华大学的强项,现在正在发展壮大,这在一定程度上要归功于科里的专业知识。Korley和Thomas H. Epps, III, Thomas and Kipp Gutshall化学和生物分子工程以及材料科学与工程高级职业发展教授,也成立了一个新的研究中心,即软物质和聚合物研究中心(CRISP)。Korley和Epps与科慕的研究人员合作,最近在ACS应用高分子材料杂志上发表了一篇关于聚合物表面涂层结构-性能关系的综述文章。

科里的研究事业还涉及到与本科生的接触,他们可以从研究经验中受益匪浅,这与他们的课堂学习相辅相成。

“研究为你提供了一个平台,让你从课堂上获得基础训练,并能够将其应用于问题,”她说。“在实验室里,学生们学会思考问题,展示和交流他们的工作,成为领导者和团队成员。我们的课程涵盖了所有这些方面,但我认为,本科研究可以通过一种整体的方式培养学生做到这一点。”

科利同样热衷于向高中女生介绍科学和工程的推广活动。她实验室的学生在特拉华州纽卡斯尔的瑟维姆女子学院做辅导工作。

她说:“对我来说,最重要的是要产生影响,要合作,真正与更广泛的社区接触。”“这对我很重要。”

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故事来源:

材料所提供的特拉华大学。Julie Stewart原创。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


期刊引用

  1. Chase B. Thompson, Sourav Chatterjee, LaShanda T.J. Korley。多毛类颚形半互穿网络中梯度超分子相互作用和可调力学欧洲聚合物杂志, 2019;116: 201 doi:10.1016 / j.eurpolymj.2019.04.015

引用此页

特拉华大学。“从自然奇迹中汲取灵感,制造新材料:研究人员模仿猪鬃蠕虫颌系统的结构。”《科学日报》。《科学日报》,2019年8月19日。< www.koonmotors.com/releases/2019/08/190819164348.htm >。
特拉华大学。(2019年8月19日)。从自然奇迹中汲取灵感,制造新材料:研究人员模仿猪鬃蠕虫的颌系统结构。《科学日报》。2023年6月16日检索自www.koonmotors.com/releases/2019/08/190819164348.htm
特拉华大学。“从自然奇迹中汲取灵感,制造新材料:研究人员模仿猪鬃蠕虫颌系统的结构。”《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2019/08/190819164348.htm(2023年6月16日访问)。

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