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從導電到抗菌的全能選手，大豆蛋白與鎵打造新型功能復合材料

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-30 15:05:37

在材料科學領域，不斷探索新型復合材料是推動科技進步的關鍵動力之一。近日，一項令人矚目的研究成果引起了廣泛關注：Li Liu 和所在團隊將鎵和大豆蛋白進行巧妙結合，造出一種新型功能復合材料，為液態金屬微滴的應用開辟了新視角。

一、新型復合材料的誕生背景

隨著現代材料科學的不斷發展，對新材料的需求日益增長。室溫下呈液態的金屬因其獨特的物理化學特性，如卓越的導電性、室溫下的流動性以及良好的生物相容性，逐漸成為科學家們關注的焦點。鎵作為一種典型的液態金屬，在生物醫學和柔性電子設備領域已有廣泛應用。然而，鎵在空氣中極易氧化，這嚴重限制了它的導電性能和長期穩定性。

為解決這一問題，許多研究者嘗試將液態金屬鎵與其他金屬或聚合物材料結合，但往往會對液態金屬的生物相容性產生負面影響。相比之下，天然的生物大分子材料如蛋白質和多糖，因其優良的生物相容性和可降解性，成為理想的候選材料。在眾多蛋白質中，尋找既具有還原性基團又具備一定機械性能和穩定性的蛋白質材料，成為解決液態金屬氧化問題的關鍵。

二、大豆蛋白分離物復合材料的特性

（一）良好的導電性與機械性能

團隊研發的這種含有鎵的大豆蛋白分離物復合材料，兼具良好的導電性和機械性能。當材料中的鎵含量為 32% 時，復合材料的導電性、生物相容性、淀粉樣纖維結構良好性處于最佳狀態。

（二）一氧化碳氣體傳感應用

在一氧化碳氣體傳感方面，該復合材料展現出良好的靈敏度和可逆性。它能夠在不同濃度的一氧化碳氣體下快速響應，并在氣體去除之后恢復初始電阻，有望為環境監測、工業安全和智能家居等領域打造一氧化碳傳感器，非常適合用于實時監測和預警系統。

（三）電刺激抗菌特性

大豆蛋白分離物復合材料在電刺激抗菌方面表現出顯著特性。其應用原理主要在于復合材料良好的導電性。當施加電刺激時，電流通過復合材料，產生一系列物理和化學效應，從而抑制細菌生長并解決生物膜形成問題。一方面，電刺激可能改變細菌細胞膜的通透性，破壞細菌的細胞結構，導致細菌死亡。另一方面，電流可能引發復合材料中的某些化學變化，產生具有抗菌作用的物質。例如，可能促使鎵發生特定的氧化還原反應，釋放出對細菌具有毒性的離子或活性氧物種。此外，大豆蛋白分離物自身可能也在一定程度上參與了抗菌過程，其特定的結構和化學性質可能與細菌相互作用，干擾細菌的正常生理代謝。

這一特性使其特別適合于開發長效抗菌涂層、手術工具或植入物，有助于減少術后感染和促進傷口愈合。

隨著技術的進一步成熟，這種材料還有望用于環境監測、柔性電子設備等領域。

三、科研 “烹飪” 的精準把握

（一）制備過程的挑戰與解決方案

在確定將具有 β- 折疊結構的蛋白質納米纖維與液態金屬鎵結合作為研究方向后，團隊首先面臨的核心問題是如何有效誘導蛋白質自組裝為纖維狀材料，并確保與鎵微納米顆粒的穩定結合。

已有文獻中，乳球蛋白纖維常被用作微納米顆粒的載體，但制備需在 pH=2 的強酸溶液中進行，而液態金屬鎵在強酸或強堿溶液中易溶解并產生氫氣。經過大量文獻參考，團隊利用 30% 的乙酸溶液將大豆植物蛋白分離物分散，在 90℃下加熱并進行超聲處理，隨后加入鎵的微納米顆粒。在降溫過程中，大豆蛋白分離物自組裝為具有 β- 折疊結構的蛋白質納米纖維，形成大豆蛋白分離物 - 鎵復合材料。

（二）細節決定成敗

溫度控制

較低溫度（如 70℃）會導致纖維的機械性能下降，而 90℃是蛋白質充分展開并形成納米纖維的最佳溫度。

超聲時間控制

初始的大豆蛋白分離物不溶于水，超聲過程將較大的團塊分散成更小的團塊，促進其在高溫下溶解并展開，暴露出更多活性位點。合適的超聲時間能讓溶液從糊狀物轉變為透明，此時是最適合降溫的時機，過度超聲會導致溶液重新變渾濁，不利于自組裝。

鎵的顆粒大小

團隊選擇了 400nm 的平均粒徑。如果顆粒太小（如 100nm），它們在酸性環境中與蛋白質反應過快，可能會產生氣泡以至于阻礙自組裝過程。

避免空氣流動過快

在降溫和干燥過程中，只有保持均勻的蒸發，才能確保材料的完整成型。

（三）術語調整的波折

在撰寫論文時，團隊最初采用 “淀粉樣纖維”（Amyloid fibrils）的術語，但由于該術語與阿茲海默癥的緊密聯系，容易引起誤解。后來，他們將其修改為 nanofibrils 納米纖維，突出了本次研究的重點，論文才得以順利發表。

四、未來展望與挑戰

（一）拓展應用領域

團隊計劃將鎵與其他金屬合成的液態金屬合金與蛋白質相結合，探索這些復合材料可能帶來的新的物理化學特性。此外，他們還將進一步研究蛋白質自組裝為納米纖維的機理，探討液態金屬對相分離和自組裝過程的調控能力，以拓展復合材料的應用范圍。

（二）面臨的挑戰

雖然這種新型功能復合材料展現出了巨大的潛力，但在實際應用中仍面臨一些挑戰。例如，如何進一步提高材料的穩定性和耐久性，如何實現大規模生產等問題都需要進一步研究解決。

總之，大豆蛋白與鎵打造的新型功能復合材料為材料科學領域帶來了新的希望和機遇。通過不斷的研究和創新，相信這種復合材料將在未來的科技潮流中發揮重要作用，為各個領域的發展做出貢獻。

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