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      聚合物陷入了對油和水的討厭化學(xué)反應(yīng)中
      
			
      
				2020-02-28 09:09:01
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      橡樹嶺國家實驗室和田納西大學(xué)的研究人員對油水界面中聚合物自組裝的內(nèi)部工作方式進(jìn)行了罕見的研究，以改進(jìn)用于神經(jīng)形態(tài)計算和生物啟發(fā)技術(shù)的材料。
      

      

      發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會雜志》上的結(jié)果提供了有關(guān)分子堆積和將自身排列成“可調(diào)”界面的方式的新見解，界面是單層厚表面，具有可以針對特定功能進(jìn)行修飾的結(jié)構(gòu)。
      

      ORNL化學(xué)科學(xué)部的本杰明·杜迪(Benjamin Doughty)表示：“了解在液-液界面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計規(guī)則最終將指導(dǎo)我們?nèi)绾沃圃炀哂卸ㄖ铺匦缘男虏牧稀?rdquo;
      

      這項研究引起了人們對使用軟材料來模擬脂雙層的興趣，脂雙層是具有重要生物學(xué)功能的選擇性膜，例如處理大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的信號以及跨細(xì)胞傳輸離子，蛋白質(zhì)和其他分子的過程。
      

      共同作者以前使用油中涂有脂質(zhì)的水滴設(shè)計了仿生膜，并證明了其作為具有自然信息處理，學(xué)習(xí)和記憶功能的神經(jīng)形態(tài)或類似大腦的計算機的感覺組件的潛力。
      

      DOE科學(xué)用戶辦公室ORNL納米相材料科學(xué)中心的Pat Collier說：“由于脂質(zhì)天生易碎且易腐爛，因此我們有興趣開發(fā)基于聚合物的對應(yīng)物，它們既具有穩(wěn)定性，又可以賦予我們一系列天然功能。”設(shè)施。
      

      然而，在不了解界面化學(xué)的情況下，由天然或合成分子創(chuàng)建功能雙層涉及一定程度的神秘性。在溶液燒杯中相互作用的化學(xué)物種可能會或可能不會形成具有選擇性特性的類似膜，例如具有存儲或過濾構(gòu)成神經(jīng)形態(tài)計算的非數(shù)字語言的感覺沖動的能力。
      

      “為了能夠為特定目的訓(xùn)練分子并釋放新功能，我們需要了解自組裝過程中分子水平上發(fā)生的事情，”科利爾說。
      

      在實驗中，研究人員選擇了一種低聚物，即一種與天然脂質(zhì)具有相似結(jié)構(gòu)的小的聚合物變體，并使用表面光譜學(xué)方法探測了在水和油之間形成的分子單層(雙層的一側(cè))。
      

      ORNL團隊是探索液-液界面的重要團隊之一，液-液界面是一個重要的研究領(lǐng)域，但由于技術(shù)挑戰(zhàn)而未被充分研究。
      

      橡樹嶺國家實驗室和田納西大學(xué)的研究人員實時跟蹤聚合物如何在油水界面自組裝成單層。此動畫描繪了單層結(jié)構(gòu)。圖片來源：Michelle Lehman /美國橡樹嶺國家實驗室，美國能源部
      

      Doughty說：“我們的目標(biāo)是研究油水界面的不對稱性如何導(dǎo)致物種不同地吸收，填充并有序進(jìn)入功能設(shè)計。”
      

      所研究的低聚物是兩親性分子，這意味著其結(jié)構(gòu)的一部分是疏水的，而其他則是親水的。當(dāng)將穩(wěn)定在油中的樣品引入水基溶液中時，分子會因其混合的吸引力和對水的排斥力而自組裝。
      

      就像去一樣-低聚物的帶輕微電荷的極性頭想要在水相中，而極性也是極性的，而非極性的尾巴想要在油相中卻不是極性。
      

      Doughty說：“能夠?qū)崟r觀察這些分子如何在不同的界面上排列是廣泛適用的基礎(chǔ)科學(xué)成就。”
      

      如動畫所示，帶電的低聚物會回到水相中。但是柔性尾巴在有剩余空間時會纏繞在油中，或者在接口變得擁擠時擰緊以容納鄰居。
      

      “我們發(fā)現(xiàn)調(diào)整水相中的離子或帶電粒子有助于形成明確的界面，低聚物呈現(xiàn)出更緊密的螺旋結(jié)構(gòu)，” Doughty說。
      

      離子太少，尾巴散開，留有空隙;太多，它們擠進(jìn)來，從表面膨脹。
      

      “研究結(jié)果指出了改變單分子層的大小和形狀的方法，并在下一階段使雙層分子具有不對稱的設(shè)計，就像天然脂質(zhì)一樣。”科利爾說。“這項工作使我們更加接近釋放生物材料的新潛力。”
      

      在分子水平上定制表面以設(shè)計新材料，不僅為生物計算提供了可能性，而且為化學(xué)分離，傳感和檢測廣泛地提供了可能性。
      

      Doughty說：“觀察液-液界面有助于我們理解驅(qū)動所有這些技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)。”
      
			

			
        
      
			
      
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