中國儲能網(wǎng)訊：近日，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李舟課題組與北京大學深圳研究生院的李子剛課題組、王新煒課題組合作，在α-螺旋多肽自組裝新模式及其在儲能方面的應用研究中取得新進展，相關研究成果發(fā)表在近期的Science 子刊Science Advances上(DOI: 10.1126/sciadv.aar5907)。
多肽分子精準的層級自組裝（hierarchical self-assembly），作為一種自下而上（bottom-up) 的生物納微材料制備方法，其在仿生學、催化、物質分離、生物電子器件領域受到越來越多的重視。與無機納米材料相比，多肽分子具有來源廣泛、天然可降解、生物兼容性好、易于修飾等特點。以FF（F: 苯丙氨酸）二肽及其衍生物為代表，通過一系列物理（電場輔助法，磁場輔助法，溫度輔助法，超聲輔助法）和化學（pH，溶劑法，催化法）手段，精準操控多肽分子自組裝的路徑，得到了多肽納米管納米纖維、納米線、納米凝膠、納米量子點等一系列具有特殊結構的納微多肽材料，這些材料或具備良好的半導體性質，或展現(xiàn)出優(yōu)越的柔韌性以及特殊的光學性質。在諸如柔性超級電容器/電池、壓電器件、生物傳感、光導器件，以及生物醫(yī)學領域得到了廣泛的應用。
多肽分子自組裝是通過調(diào)節(jié)多肽分子之間非共價作用，如范德華力、氫鍵網(wǎng)絡、疏水相互作用、π-π相互作用等，來實現(xiàn)多肽分子在一定條件下長程有序排列的一種手段。由于多肽分子結構復雜多樣，多肽序列改變導致分子性質迥異。因此，預測以及設計多肽分子自組裝具有很大的難度。早年關于多肽自組裝的研究主要集中在兩親性多肽分子、β-折疊多肽、首尾相連的環(huán)狀D-L-D型多肽分子，以及FF二肽類分子。對于更加復雜的螺旋多肽自組裝，鮮有報道。原因是螺旋多肽熵值較低，氫鍵網(wǎng)絡被封鎖在多肽內(nèi)部，難以形成分子之間的氫鍵網(wǎng)絡。因此，如何操縱具有更加復雜的二級結構的多肽，比如螺旋多肽，實現(xiàn)可控的自組裝，是目前研究的重難點之一。
李舟課題組長期關注并發(fā)表了一系列基于生物可降解的分子的可植入器件的制備和應用。鑒于多肽分子在該領域的巨大前景，課題組進行多肽納米材料在儲能、傳感領域的研究，已在國際學術期刊Small上發(fā)表相關論文。最近，李舟課題組及其合作者開發(fā)了基于手性誘導螺旋體系的新的多肽納米材料制備方法?；谠擉w系，研究人員認為：可以通過主鏈之外的驅動力-側環(huán)相互作用，來彌補螺旋多肽主鏈自組裝驅動力不足的缺點，實現(xiàn)一種新型模式的多肽組裝方法，即所謂的“側環(huán)驅動”多肽自組裝?；谶@樣一種構想，研究人員進行了細致的篩選和表征。他們以五肽為模型，設計合成了一系列具有手性側環(huán)的五肽分子，取名為BDCP。結果表明，當BDCP為螺旋結構，且側環(huán)取代基具有芳香性時，多肽分子可以組裝成納米管/納米帶結構。
接下來他們對多肽自組裝的機理進行了研究。通過與北京大學深圳研究生院兩個課題組的合作，對多肽組裝結構進行了晶型預測，得到了多肽分子的組裝模型。該模型顯示出了和實驗結果良好的一致性。結果表明，多肽分子間的π-π相互作用，S-π 相互作用，以及氫鍵網(wǎng)絡驅動了多肽分子的組裝。在多肽組裝體中，極性和非極性界面依次形成，且每兩個極性層的偶極子方向相反，這樣使組裝體內(nèi)部的偶極相互作用得以相互抵消，進一步穩(wěn)定了組裝體。這也是該領域首次報道S-π 相互作用參與多肽自組裝的例子。
在此基礎上，研究人員進一步研究了組裝材料的光學和電學性質。在不同激發(fā)光照射下，多肽組裝體可以發(fā)出從藍色到紅色熒光。該材料在生物成像領域存在巨大的應用前景。在電學測試中，在李舟指導下，研究人員探討了多肽組裝體作為超級電容器活性材料的儲能性質。2009年，來自以色列的科學家首次報道了環(huán)狀苯丙氨酸二肽“納米森林”材料在儲能方面的應用。該研究顯示了多肽材料具有良好的力學、電學性質，結合多肽納米材料較高的比表面積、合適的親疏水性，以及優(yōu)良的導電性質等優(yōu)點，多肽儲能成為了下一代柔性、可植入、輕質、無污染儲能器件的潛在選項。在該研究中，研究者系統(tǒng)比較了四組多肽分子的電化學性質，結果表明多肽材料儲能大小可以通過多肽序列來調(diào)控。通過循環(huán)伏安法、恒流充放電等電化學測量手段，證明多肽材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性以及高于FF多肽材料的比電容性質。
該項研究不僅在多肽材料制備方面具有重要的理論價值，而且具有重要的應用前景。李舟課題組的助理研究員胡寬是論文的共同第一作者，博士生李虎在電化學測試中做出了貢獻。在上述工作的基礎上，李舟課題組目前正在積極開展多肽儲能、多肽壓電傳感方面的研究工作。
多肽分子的結構以及組裝體的SEM照片
多肽組裝體的分子晶體結構預測示意圖
多肽組裝體的電化學性質測試
