Nature重磅：神奇自愈玻璃，肽与水的奥秘！

尽管玻璃具有无序的液体状结构，但它具有固体状的机械性能。玻璃材料的形成是通过玻璃化，防止结晶和促进非晶结构。由于其独特的光学，化学和机械性能以及耐用性，多功能性和环境可持续性，玻璃在材料科学的各个领域都是基础。

然而，在不影响其性能的情况下，设计玻璃材料是具有挑战性的。

在此，来自以色列特拉维夫大学的Ehud Gazit等研究者报道了一种由短芳三肽YYY与结构水非共价交联引发的自发自组织形成的超分子非晶玻璃。相关论文以题为“A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass”于2024年06月12日发表在Nature上。

玻璃的特点是非结晶的、无序的原子结构。随机分子排列是通过抑制热力学上有利的周期性组织来实现的，通常是通过熔体的快速冷却，从而在动力学上捕获液体状非晶结构。

玻璃结构可以很容易地由聚合物构建，因为长聚合物链的纠缠或交联降低了它们的分子迁移率。由于其通常固定的分子结构，高分子量玻璃聚合物表现出显著的刚度，但其缓慢的分子扩散速率需要加热才能自愈。

相比之下，低分子量的橡胶聚合物可以在室温下自愈，因为它们的分子迁移率高，但柔软且可变形。因此，同时表现出强大的机械性能和在环境条件下自愈能力的玻璃材料很少被描述。

除了聚合物玻璃，各种小的有机分子可以通过非共价键组装成无定形固体，尽管它们的高迁移率。为了形成分子玻璃，分子间的相互作用必须是强的，但非周期性的，这就阻止了具有长程有序的超分子结构的形成。像水这样具有强氢键能力的小分子的结合可以满足这一需求，就像蛋白质折叠的稳定性一样。

作为生命的基本组成部分，多肽被认为是超分子化学中有吸引力的结构元素，具有自组装成具有独特物理、化学和生物特性的结构的倾向。大多数肽基材料是结晶的。

例如，短芳香肽倾向于通过远距离π堆积相互作用组装，从而获得高结晶度和令人印象深刻的机械性能。相比之下，处于稳定玻璃相的无定形肽基材料非常罕见。

在这里，研究者报道了一种超分子非晶玻璃的发现，这种玻璃是由短芳香三肽YYY与结构水的非共价交联引发的自发自组织形成的。

这个系统独特地结合了经常相互矛盾的属性集；它是高度刚性的，但可以在室温下进行完全的自愈。此外，超分子玻璃是一种非常强的粘合剂，但它在可见光到中红外的宽光谱范围内是透明的。

这种特殊的特性在由天然氨基酸组成的简单生物有机肽玻璃中被观察到，呈现出一种多功能材料，可以在科学和工程的各种应用中非常有利。

图1 肽玻璃组装及其光学性质。

图2 通过水分子的非共价交联产生对亲水性表面的粘附性能的肽玻璃组装机制。

图3 力学性能随水化水平变化的动态调节。

图4 多肽玻璃的开裂和自愈。

综上所述，酪氨酸三肽通过与结构水分子构建非特异性氢键网络，意外地形成了超分子无定形玻璃材料。在其冻干状态下，YYY肽是一种白色固体粉末，没有粘性或粘附性。

然而，水合作用引发水分子形成强的非共价交联，从而产生具有固有聚合物特征的超分子玻璃，尽管肽构建块的分子量非常低。

由结构水分子整合形成的独特结构，以及它们的塑化特性，提供了各种吸引人的特征。它允许选择性粘附到亲水表面，从脆性到延性的机械性能动态调节，以及在温和条件下自愈的能力。

此外，多肽玻璃的动态特性使其能够被回收利用。由于大多数玻璃材料是不可降解的，因此开发可回收的替代品是至关重要的。由于水在结构中的关键作用，这种特殊的肽玻璃从基本的肽科学方面是迷人的。

此外，其坚固的机械性能和自愈能力在材料工程中特别有利。其广泛的透明度范围，连同折射率匹配，可以在光学和电光学制造的应用中非常有用。

它可以作为多层光学的粘合剂，作为光学浸没胶，或者使用自下而上的方法轻松制造光学镜片。所有这些特性都证明了YYY肽基玻璃非凡的多功能性。

【参考文献】

Finkelstein-Zuta, G., Arnon, Z.A., Vijayakanth, T. et al. A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass. Nature 630, 368–374 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07408-x

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07408-x

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