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2024-10-09 18:17:00
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。
「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。
外部電場の存在下では、強誘電体材料の極性の向きが反転します。これは、磁石が北から南に反転し、再び元に戻るのと同じです。
「生物学におけるペプチド配列の変異は、病理や生物学的利点の源です」とストゥップ氏は述べた。 「新しい材料では、ペプチドを突然変異させて、その特性を物理世界に合わせて調整します。
「ナノスケール電極を使用すると、天文学的な数の自己組織化構造を電場にさらすことができる可能性があります。低電圧で極性を反転できるため、一方が「1」として機能し、反対の向きが「ゼロ」として機能します。これにより、情報を保存するためのバイナリ コードが形成されます。一般的な強誘電体とは大きく異なり、その多用途性に加えて、新しい材料は「多軸」です。つまり、1 つまたは 2 つの特定の方向ではなく、円の周りの複数の方向に極性を生成できるのです。」
記録破りの低消費電力
極性を反転するには、PVDF やその他のポリマーのような柔らかい強誘電体材料でも、通常、かなりの外部電場が必要です。ただし、新しい構造では信じられないほど低い電圧が必要です。
「極を反転させるのに必要なエネルギーは、多軸ソフト強誘電体としてこれまで報告された中で最も低いものです」とストゥップ氏は述べた。 「ますますエネルギーを必要とする時代に、これによってどれだけのエネルギーが節約されるか想像できるでしょう。」
新しい素材には、環境に固有の利点もあります。何世紀にもわたって環境中に残留する一般的なプラスチックとは異なり、ストゥップ研究所の材料は、有害な有毒溶剤や高エネルギープロセスを使用せずに生分解または再利用できます。
「私たちは現在、再生可能エネルギーにおいて重要な触媒プロセスだけでなく、生体医療機器やインプラントなど、強誘電体の従来とは異なる用途での新しい構造の使用を検討しています」とStupp氏は述べた。 「新しい材料でのペプチドの使用を考えると、それらは生物学的シグナルによる機能化に役立ちます。私たちはこれらの新しい方向性に非常に興奮しています。」
#自然とプラスチックが持続可能なソフト素材のブレークスルーを引き起こす #ニュース