自然とプラスチックがソフトで持続可能な素材の画期的な進歩を促す

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2024-10-09 15:00:00

硬くて硬い素材は脇に置いてください。新しい柔らかく持続可能な電気活性材料が街に登場し、医療機器、ウェアラブル技術、人間とコンピュータのインターフェースに新たな可能性を開く準備ができています。

ノースウェスタン大学の材料科学者らは、ペプチドとプラスチック中の大きな分子の一部を使用して、バッテリーのように充電してエネルギーを蓄えたり、デジタル情報を記録したりできる、小さくて柔軟なナノサイズのリボンで作られた材料を開発した。このシステムはエネルギー効率が高く、生体適合性があり、持続可能な材料で作られているため、電子機器の製造と廃棄による環境への影響を軽減しながら、新しいタイプの超軽量電子デバイスを生み出す可能性があります。

の 公開されたのは今日でした (10月9日) Nature誌に掲載。

さらなる開発により、この新しいソフトマテリアルは、低電力でエネルギー効率の高い微細なメモリチップ、センサー、エネルギー貯蔵ユニットに使用できる可能性があります。研究者は、それらを織った繊維に統合して、スマートな布地やステッカーのような医療用インプラントを作成することもできます。今日のウェアラブル デバイスでは、電子機器がリストバンドで不格好に体に固定されています。しかし、新素材のリストバンドでは、 自体 電子活動がある可能性があります。

「これは材料科学とソフトマテリアル研究におけるまったく新しい概念です」とノースウェスタン大学は述べています。 サミュエル・I・ステュップ、研究を主導した。 「私たちは、エアコンが内蔵されたシャツを着たり、組織のように感じられ、心臓や脳の機能を改善するためにワイヤレスで作動する柔らかい生物活性インプラントに頼ったりできる未来を想像しています。

「これらの用途には電気信号と生物学的信号が必要ですが、古典的な電気活性材料を使用してそれらのアプリケーションを構築することはできません。私たちの臓器や人々が着るシャツに硬い物質を入れることは現実的ではありません。ソフトマテリアルの世界に電気信号を導入する必要があります。それがまさに私たちがこの研究で行ったことです。」

ストゥップ氏は、ノースウェスタン大学の材料科学および工学、化学、医学、生体医工学の理事教授です。彼はまた、過去 10 年間、米国エネルギー省の支援を受けて局長を務めてきました。 バイオインスピレーションエネルギー科学センター、ここからこの研究が始まりました。スタップ氏は次の予定を持っています マコーミック工学部、 ワインバーグ芸術科学大学 そして ノースウェスタン大学フェインバーグ医学部。ストゥップ氏の研究室の研究員であるヤン・ヤン氏がこの論文の筆頭著者である。

ペプチドとプラスチックの出会いによる真のイノベーション

新しい研究では、研究チームは脂質尾部をポリフッ化ビニリデン（PVDF）と呼ばれるプラスチックの小型分子セグメントに置き換えた。しかし、彼らはアミノ酸の配列を含むペプチドセグメントを保持しました。オーディオやソナー技術で一般的に使用される PVDF は、珍しい電気特性を持つプラスチックです。押されたり絞られたりすると電気信号を生成できます。これは圧電として知られています。また、強誘電体材料でもあり、外部電圧を使用して方向を 180 度切り替えることができる極性構造を持っています。技術分野で主流の強誘電体は硬い材料であり、多くの場合、鉛やニオブなどの希少金属や有毒金属が含まれています。

今日のウェアラブル デバイスでは、電子機器がリストバンドで不格好に体に固定されています。しかし、新しい素材を使用すると、リストバンド自体が電子的な活動を持つ可能性があります。

「PVDF は 1960 年代後半に発見され、強誘電特性を持つプラスチックとしては初めて知られています」と Stupp 氏は述べています。 「プラスチックのような堅牢性を備えながら、電気機器に使用できます。そのため、先端技術にとって非常に価値の高い材料となります。しかし、純粋な形では、その強誘電性は安定しておらず、いわゆるキュリー温度を超えて加熱されると、その極性は不可逆的に失われます。」

PVDF を含むすべてのプラスチックにはポリマーが含まれており、ポリマーは通常数千の化学構造単位で構成される巨大な分子です。新しい研究では、ストゥップ研究室は、わずか 3 ～ 7 個のフッ化ビニリデン単位を持つ小型ポリマーを正確に合成しました。興味深いことに、4、5、または 6 個のユニットを備えた小型セグメントは、タンパク質に存在する自然界のベータシート構造によってプログラムされ、安定した強誘電相を構成します。

「それは簡単な仕事ではありませんでした」とストゥップ氏は語った。 「ペプチドとプラスチックという 2 つのありそうもないパートナーの組み合わせが、多くの点で画期的な進歩をもたらしました。」

この新しい材料は、PVDF と同様に強誘電性および圧電性を備えているだけでなく、電気活性形状が安定しており、非常に低い外部電圧を使用して極性を切り替えることができます。これにより、低電力エレクトロニクスと持続可能なナノスケールデバイスへの扉が開かれます。科学者らはまた、生物活性シグナルをペプチドセグメントに付加することによって新しい生物医学技術を開発することも構想しており、これはすでにストゥップ氏の再生医療研究で使用されている戦略である。これにより、電気的に活性でありながら生物活性も持つ材料のユニークな組み合わせが実現します。

水を加えるだけ

持続可能な構造を作成するために、Stupp のチームは単に水を加えて自己集合プロセスを引き起こしました。材料を浸した後、Stupp 氏は、PVDF の非常に求められていた強誘電特性が得られたことに驚きました。

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