从大自然的蓝图中合成纳米材料

魔术贴。飞机。声纳。这些有什么共同点?每一个的发明都受到大自然的启发。魔术贴模仿牛蒡毛刺附着在衣服上的能力。飞行中的鸟类推动了飞机的最终发展。蝙蝠使用回声定位来导航，为声纳提供灵感。

在太平洋西北国家实验室 (PNNL)，材料科学家陈春龙也对自然界中发现的模型感兴趣，但规模要小得多。Chen 从自然界中发现的分子结构中汲取灵感;主要来自蛋白质的构建块，称为肽。他创造了序列定义的类肽——比天然构建块更强大的合成类蛋白质分子——以开发具有独特功能的仿生纳米材料。

这些仿生纳米材料在从药物输送到光伏发电的各种应用中显示出前景。作为分子自组装领域的新兴领导者，陈和他的几位前实习生最近为即将出版的《化学评论》特刊撰写了一篇评论文章。本文介绍了由序列定义的合成聚合物组装而成的分级纳米材料的最新技术。通过这篇综述，作者希望鼓励相关领域的其他人探索用于先进能源、生物医学和环境应用的仿生纳米材料的设计。

“我对春龙在这一领域的成就感到非常鼓舞，我坚信他才刚刚开始发现仿生拟肽纳米结构的各种新应用，”陈的前导师和劳伦斯伯克利的拟肽发明者罗纳德·扎克曼说国家实验室(LBNL)。“他的研究开启了仿生纳米科学的全新时代，我们可以在其中以原子精度操纵合成纳米材料，以解决分子识别、催化和治疗方面的问题。”

微小材料的大应用

Chen 自己的研究重点是开发序列定义的拟肽来模拟天然蛋白质，用于仿生结晶和仿生材料的组装。由这些自组装分子形成的结构表现出比单个分子更大的特性。例如，蛋白质包含多层结构。氨基酸结合在一起形成构成蛋白质的肽分子。肽折叠形成 3D 结构，赋予蛋白质其功能。在下一个层次上，多种蛋白质可以聚集在一起形成复合物，以实现超出单个蛋白质能力的独特功能。

“创造自组装成天然大分子等分级纳米材料的合成聚合物非常令人兴奋，但该领域仍然相对较新，”陈说。“通过这次审查，我们想强调在这些序列定义的合成聚合物的分子自组装方面取得的一些进展。我们还想讨论它们的自组装分层材料在生物医学科学和可再生能源中的潜在应用。 ”

这些不同功能的可能性是无限的。迄今为止，这些仿生功能材料已在药物输送、分子传感、光动力疗法、水净化等方面显示出前景。

“蛋白质包含很多信息。它们的氨基酸序列决定了它们在我们体内的结构和功能。我们合成的拟肽采用这种想法，即使用序列为这些分子编程以实现不同的功能，”陈说。

“原则上，我们可以使用拟肽作为可编程积木的平台，并像乐高积木一样将它们组装起来，构建具有高度可编程性和可预测性的高信息内容分层材料，以满足我们的需求。挑战在于通过仔细地洞察这些预测研究我们的成功和失败，”陈说。

打造分层纳米材料的新路径

众所周知，陈创造的纳米材料不可预测。很难合成具有特定功能的材料。然而，陈对于克服这些挑战并不陌生。作为中国中山大学的研究生，陈开始研究分子的设计和组装成超分子结构。这为他在密西西比州立大学、匹兹堡大学和 LBNL 担任博士后研究助理铺平了道路，在那里他与扎克曼一起工作。

Chen 最终被招募到 PNNL，在那里他率先设计了能够自组装的序列定义的类肽。

“不仅要创造分子本身，还要确保它们能够形成我们希望它们形成的更大结构，这涉及很多反复试验，”陈说。

他和他的团队最初着手为生物医学应用(如药物输送和生物成像)创造分子。很快，他们将研究扩展到了广泛的应用领域，包括水净化和电池研究。

指导很重要

“我们的团队很荣幸成为《化学评论》中“分子自组装”特刊的一部分，也很荣幸我被邀请在序列定义的合成聚合物的分子自组装领域撰写一篇广泛的评论，”陈说。“这是对该领域多年辛勤工作的极大认可，包括我们来自 PNNL 的贡献。”

接到邀请后，陈立即组建了一个团队，由他的两位前博士后李志良和蔡斌(现为山东大学教授)和访问研究生：天津大学研究生杨文超组成。这三人与陈作为合著者合作，概述了拟肽和其他序列定义的聚合物分子自组装成分级纳米材料的当前技术水平及其在能源和生物医学中的潜在应用。

“在与春龙合作的过程中，我在生物化学领域获得了宝贵的知识，例如生物分子的设计和合成、有机合成和分子自组装，”PNNL 陈团队的前博士后研究员 Bin Cai 说。“此外，他的科学洞察力和乐观的态度极大地影响和塑造了我的职业方向。具体来说，我从他身上学到的是如何集中注意力：如何专注于一个重要的科学问题，并为实现它制定多项计划。”