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行业科普
东华大学:“迄今最薄”纳米丝带,厚度堪比单层石墨烯
时间:2019年1月16日
      近日,东华大学纤维材料改性国家重点实验室教授张耀鹏、邵惠丽团队与纽约州立大学石溪分校教授Benjamin S. Hsiao合作,在国际期刊《ACS Nano》(影响因子:13.7)发表了题为《单分子层厚度的纳米丝带:蚕丝材料的潜在构筑基元》(Single Molecular Layer of Silk Nanoribbon as Potential Basic Building Block of Silk Materials)的论文,阐述了该团队在材料领域的最新研究成果。


       张耀鹏团队利用氢氧化钠/尿素水溶液体系,在低温(-12℃)下将蚕丝逐级剥离为厚度约0.4纳米、宽度约27纳米的蚕丝纳米纤维带。这也是目前为止世界最薄的丝素纳米纤维带,其厚度仅为丝素蛋白的单分子层厚度,与单层石墨烯厚度相当(号称“材料之王”的石墨烯是目前最薄、最强的材料,单层石墨烯的厚度仅有0.34纳米)。大家平常戴的丝巾中,一根蚕丝的直径,大约等于三万多层丝素纳米纤维带叠加起来的厚度。

       蚕丝和蜘蛛丝的优异性能取决于其多级结构在介观尺度的有序排列。作为蚕丝多级结构的基础构筑单元,丝素纳米纤维对人造蜘蛛丝等高性能丝蛋白材料的设计和构筑尤其重要。该纳米纤维带主要由天然蚕丝中原生的β-折叠片层、无规线团以及α-螺旋构象构成。

研究者通过原子力显微镜、透射电子显微镜及小角X射线散射技术等多种表征技术确认了上述信息,并通过计算机分子动力学模拟技术,模拟了蚕丝在氢氧化钠/尿素水溶液中剥离为丝素纳米纤维的动态过程。在此基础上,提出了全新的蚕丝多级结构模型。

      基于丝素纳米纤维带悬浮液,该团队制备了超薄、超韧、高透明的丝素纳米纤维薄膜。

       丝素纳米纤维带通过自组装或者有序构建,可用作增强成分或者直接构建单元,有望制备性能优异或功能性的丝素蛋白基材料,比如骨组织工程支架、手术缝合线、超薄柔性自支撑透明膜等,有望应用于生物医学、生物电子接口、过滤、光学、成像等领域。

       对于第一编辑牛欠欠来说,这篇文章是她博士研究生阶段发布的第一篇论文,该项目仅实验就做了将近一年,之所以能取得今天的成果,牛欠欠把它归功于对于实验的坚持。而且成功剥离的丝素纳米纤维带不是大家通常认为的圆柱形,而是扁平带状结构,关于这一点,牛欠欠坦言:“大家都只关注丝素纳米纤维的直径,却很少有人关注它的具体厚度,也许正是这样的细心,让大家有了不一样的发现”。

      据了解,该团队的研究工作得到了中国国家自然科学基金、国家重点研发计划、先进纤维与低维材料国际联合实验室、曙光计划、111引智基地、美国国家自然科学基金等项目基金的支撑。部分工作完成于上海同步辐射光源BL16B线站。
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