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陕西师范大学杨鹏教授:将蛋白质类淀粉样聚集用于二维金属膜制造及隐秘信息传输
2018-12-20 来源:中国流变网    点击次数:237次    

  信息传输中如何快速、隐秘的传输无线电讯号,以及如何在尽可能不受外界环境干扰且尽可能的降低外界环境对自身的探测(如声波探测)的前提下进行无声信息传输,对于侦察、谍报以及安保等工作极为重要。自支撑有机-金属二维(2D)杂化薄膜在诸如隐秘信息传输、柔性传感、表面增强拉曼散射、催化反应、近红外光热疗法和生物医学等诸多领域具有很好的应用潜力。但是,这种薄膜通常制备过程繁琐、耗时长;最重要的是薄膜导电性较差,从而极大地限制了这些材料在柔性电子设备领域中的应用。

  针对目前制备自支撑有机-金属二维薄膜存在的挑战,陕西师范大学杨鹏教授课题组提出将溶菌酶引入银镜反应体系,通过一步法,在室温条件和水相体系中制备了自支撑大面积(例如,400 cm2)、由溶菌酶焊接而成的二维银纳米薄膜。所制备的溶菌酶/银杂化薄膜其厚度可在纳米级进行精准控制(图1),并具有高度可调的高反射率和高导电性。

图1. 自支撑二维溶菌酶焊接银薄膜的形成过程及其形貌结构。

  该反应体系对于其他蛋白质,如清蛋白(albumin)、α-淀粉酶(α-amylase)、胶原蛋白(collagen)、角蛋白(keratin)、胃蛋白酶(pepsin)和其他金属,如金(Au)、铜(Cu)是通用的。由于蛋白质的引入为反应带来了可控性,所以通过简单地调节溶菌酶的浓度可得到高反射性或高导电性银薄膜。高导电性银薄膜具有优异的柔性且导电性稳定(薄膜在打结的状态下仍具有优异的导电性)(图2)。实验发现当溶菌酶水溶液、葡萄糖水溶液与银氨溶液混合后,银氨离子与溶菌酶进行配位反应,溶菌酶解折叠后β-sheet堆积结构增加,葡萄糖原位还原银氨离子生成的银纳米粒子在蛋白质的作用下进行受限成核和生长。而控制和限制银纳米粒子生长的超薄溶菌酶类淀粉样β-sheet堆积结构(具有粘附性的2纳米左右薄膜)可将大量银纳米颗粒绑定在一起,从而在气液界面“焊接”形成自支撑的二维银薄膜。超薄蛋白质焊接层作为关键的介质,可以通过改变银纳米颗粒之间的距离来响应外部压力和应变从而动态调节二维银薄膜的导电性。

图2.通过调节溶菌酶的浓度制备高导电性溶菌酶焊接银薄膜。

  利用高导电性溶菌酶焊接自支撑二维银薄膜制备的传感器具有灵敏的压力响应的电阻变化,继而可通过检测手指微小的敲击所产生的压力变化(即电阻或电流变化)来实现摩尔斯密码的传输(图3),以及通过检测喉咙微小的振动所产生的压力变化(即电阻或电流变化)来实现无声语音(即默读)的信息传输(图4)。弗雷歇距离是表征两条曲线相似性的指标,弗雷歇距离越小,曲线越相似;反之,曲线相似度越低。通过计算得出利用人工喉咙感应(默读)不同字母时只有相同字母的重复曲线间的弗雷歇距离最小,即相似度最高,表明这些信号的出现不是随机的,而是具有明确和可重复的压力感应性。弗雷歇距离的引入也为后期信息的解密提供了极大的便利(图5)。

图3. 应变和压力传感器的制造及应用。

图4. 一种可感知正常或无声说话(默读)的智能人工喉咙。

图5.图4f中曲线的弗雷歇距离。

  本文所展示的方法为隐秘信息的传输及蛋白质焊接特定材料来定制材料功能的发展提供了新思路。该类新材料对声带受损的人通过训练他们控制喉咙振动来恢复他们的说话能力(如可传输电子音或者电子信息)具有重要意义。人工喉咙及其隐秘的通信行为也将为加密信息的传输带来巨大希望。

  以上工作在线发表在材料学权威期刊Adv. Mater.(先进材料)上。

  Rongrong Qin, Yongchun Liu, Fei Tao, Chen Li, Wenfei Cao, Peng Yang*

  Protein-Bound Free-Standing 2D Metal Film for Stealth Information Transmission

  Adv. Mater., 2018, 1803377. 

  DOI: 10.1002/adma.201803377

  该论文第一作者为硕士生秦荣荣,通讯作者是杨鹏教授。该课题得到了国家自然科学基金委 (No. 51673112, 21875132) 等项目的资助。Advanced Materials (先进材料)是由德国Wiley公司出版的材料学和化学领域的顶尖期刊之一,2018年影响因子为21.950。

  论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.201803377

  课题组简介:

  陕西师范大学化学化工学院杨鹏课题组组建于2012年底,隶属于应用表面与胶体化学教育部重点实验室。主要致力于基于蛋白质类淀粉样聚集的多功能仿生界面材料基础和应用研究。经过六年的努力,已取得了一定的系统性研究成果,已在Chem. Rev. (1)、Adv. Mater. (4)、Nature Commun (1)、J. Am. Chem. Soc. (1)、Angew. Chem. Int. Ed. (2)、Adv. Funct. Mater. (2)等权威期刊发表综述和研究论文五十余篇。

 
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