界面分子组装超韧水凝胶及其应用
发布时间：2022-02-19 07:03
在自然界中,许多强界面作用源于弱相互作用的协同组装,如细菌生物膜的形成、藤壶分泌胶凝蛋白黏附于潮湿环境、常春藤通过多个吸盘与微观结构的协同作用攀附于悬崖峭壁。然而,在合成体系中设计这种非共价强相互作用仍然是一个挑战。本论文中以1-芘甲酸与石墨的弱相互作用为例,说明多肽自组装可以大大增强界面相互作用。利用这种强界面作用机制,我们能够通过液相超声剥离技术制备石墨烯纳米片,并进一步利用这些石墨烯片层作为填料来构建水凝胶。与传统水凝胶不同,基于这种多肽自组装增润界面作用形成的石墨烯水凝胶具有高韧性、可拉伸、自修复和可重塑的特点,其韧性约为32.64 MJ m-3,断裂应变约为8000%,自修复速率以秒为单位。我们认为水凝胶如此优异的机械强度来源于强的可逆多肽自组装增润界面相互作用和具有多个平行排列键的层状结构的协同效应。可拉伸超韧石墨烯水凝胶还具有优良的电学性质,其电容可随应变快速变化而应用于电容式应变传感器,可作为可穿戴传感器监测人体运动或作为声波传感器检测音频信号的振动。我们期望自组装增强界面相互作用可以成为调节弱键强度和扩展弱键在强韧材料中应用的有效途径,强韧石墨烯...
【文章来源】：南京大学江苏省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1多糖分子与不同基板间的界面相互作用[7]
南京大学硕士毕业论文4我们需要设定一系列的标准。这些标准因实验设计而异，但都基于两种描述高分子链在负载情况下力学响应的理论模型：自由链（FreeJointedChain，FJC）模型和蠕虫链（Worm-like-chain,WLC）模型[21]。这两种模型可以很好地描述各类柔性高分子链及高分子聚合物链的弹性行为。当然对于具有复杂结构的高分子体系，还需从基本模型中衍生出特异性模型来描述实验结果。1.1.2单分子力谱研究自组装增润界面作用在诸多生物大分子体系中存在着特定的自组装行为，如DNA组装成双螺旋结构、蛋白质/多肽组装成二级结构或更复杂的构象。分子自组装定义为平衡状态下大量分子在弱相互作用下自发聚集形成排列有序、具有特定结构和性质的分子系统的过程[22]。在分子自组装过程中，分子内部或不同分子间可在弱相互作用力的驱动下排列组装成分子聚集体[23]。氢键、π-π堆积作用是主要的分子自组装驱动力[24]。一般来说非共价作用要弱于共价键，但却具有协同性能控制生物大分子的构象（如分子团簇结构的形成）以及与其他分子的反应。通过对分子设计以及修饰上特定官能团，可合成大量不同的小分子及其衍生物，它们还能进一步自组装成纳米球、纳米管、纳米带、纳米纤维以及水凝胶等[22,25]（图1.1.2）。图1.1.2各种多肽材料的制备[22]。（A）离子自补型多肽自组装形成含β-片和β-链结构的纳米纤维，并进一步组装成支架水凝胶；（B）一种类表面活性剂多肽自组装形成纳米管；
南京大学硕士毕业论文6装膜的解离力都比同类表面上单体HFBI解离力要大。这说明HFBI单体或蛋白质膜对不同亲疏水性表面具有不同的粘附性，并且在HFBI蛋白质膜中疏水效应起到主导作用，因此自组装增强了其与疏水表面的界面相互作用。HFBI自组装膜以及HFBI单体与表面的结合在协同作用下可形成较强的界面相互作用，基于这种自组装增强界面相互作用机理能够开发出具有较强粘附力的合成材料，可应用于生物医学和现代工业领域中。图1.1.3基于AFM的单分子力谱技术研究单体HFBI蛋白与不同表面的相互作用[16]。（A）实验方案示意图。（B）各种表面的典型力-距离曲线（上）和力直方图（下）。探针拉伸速率为400nms-1。分子自组装可应用于膜材料和生物医学方面。自组装单分子膜可作为黏附剂、防腐层、电极表面改性材料等，而生物分子自组装膜则因具有生物相容性而能在生物体内作为生物传感器、组织修复材料、高效催化剂等。目前已经设计出许多多肽自组装体系，这类生物材料在组织修复、药物运输和生物表面工程等领域有着巨大的应用前景[34]。1.2石墨烯材料1.2.1石墨烯的性质和应用石墨烯是由纯sp2键合的碳原子组成的单原子层完美二维蜂窝状晶格，自2004年Geim和Novoselov等人[35]首次从石墨中微机械剥离出石墨烯后，对石墨烯性质、制备方法及应用的研究受到越来越多的关注[36]。石墨烯是石墨材料的基本构建单元，它可以
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学还原氧化石墨烯制备高性能石墨烯自组装水凝胶(英文)[J]. 盛凯旋,徐宇曦,李春,石高全. 新型炭材料. 2011(01)
[2]分子间相互作用力的直接测量[J]. 张义恒,王治强,张希. 高分子学报. 2009(10)
博士论文
[1]单分子力化学和软力化学[D]. 黄文茂.南京大学 2017
[2]利用单分子力谱研究贻贝足丝蛋白的生物力学性质[D]. 李一然.南京大学 2017
[3]多肽自组装材料的物理力学性质及其应用[D]. 薛斌.南京大学 2017
[4]爬山虎吸盘多糖的分离纯化、结构表征与粘附性能研究[D]. 张莉.华南理工大学 2014
[5]高分子界面吸附的单分子力谱研究[D]. 崔树勋.吉林大学 2004
本文编号：3632457
【文章来源】：南京大学江苏省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
1多糖分子与不同基板间的界面相互作用[7]
南京大学硕士毕业论文4我们需要设定一系列的标准。这些标准因实验设计而异，但都基于两种描述高分子链在负载情况下力学响应的理论模型：自由链（FreeJointedChain，FJC）模型和蠕虫链（Worm-like-chain,WLC）模型[21]。这两种模型可以很好地描述各类柔性高分子链及高分子聚合物链的弹性行为。当然对于具有复杂结构的高分子体系，还需从基本模型中衍生出特异性模型来描述实验结果。1.1.2单分子力谱研究自组装增润界面作用在诸多生物大分子体系中存在着特定的自组装行为，如DNA组装成双螺旋结构、蛋白质/多肽组装成二级结构或更复杂的构象。分子自组装定义为平衡状态下大量分子在弱相互作用下自发聚集形成排列有序、具有特定结构和性质的分子系统的过程[22]。在分子自组装过程中，分子内部或不同分子间可在弱相互作用力的驱动下排列组装成分子聚集体[23]。氢键、π-π堆积作用是主要的分子自组装驱动力[24]。一般来说非共价作用要弱于共价键，但却具有协同性能控制生物大分子的构象（如分子团簇结构的形成）以及与其他分子的反应。通过对分子设计以及修饰上特定官能团，可合成大量不同的小分子及其衍生物，它们还能进一步自组装成纳米球、纳米管、纳米带、纳米纤维以及水凝胶等[22,25]（图1.1.2）。图1.1.2各种多肽材料的制备[22]。（A）离子自补型多肽自组装形成含β-片和β-链结构的纳米纤维，并进一步组装成支架水凝胶；（B）一种类表面活性剂多肽自组装形成纳米管；
南京大学硕士毕业论文6装膜的解离力都比同类表面上单体HFBI解离力要大。这说明HFBI单体或蛋白质膜对不同亲疏水性表面具有不同的粘附性，并且在HFBI蛋白质膜中疏水效应起到主导作用，因此自组装增强了其与疏水表面的界面相互作用。HFBI自组装膜以及HFBI单体与表面的结合在协同作用下可形成较强的界面相互作用，基于这种自组装增强界面相互作用机理能够开发出具有较强粘附力的合成材料，可应用于生物医学和现代工业领域中。图1.1.3基于AFM的单分子力谱技术研究单体HFBI蛋白与不同表面的相互作用[16]。（A）实验方案示意图。（B）各种表面的典型力-距离曲线（上）和力直方图（下）。探针拉伸速率为400nms-1。分子自组装可应用于膜材料和生物医学方面。自组装单分子膜可作为黏附剂、防腐层、电极表面改性材料等，而生物分子自组装膜则因具有生物相容性而能在生物体内作为生物传感器、组织修复材料、高效催化剂等。目前已经设计出许多多肽自组装体系，这类生物材料在组织修复、药物运输和生物表面工程等领域有着巨大的应用前景[34]。1.2石墨烯材料1.2.1石墨烯的性质和应用石墨烯是由纯sp2键合的碳原子组成的单原子层完美二维蜂窝状晶格，自2004年Geim和Novoselov等人[35]首次从石墨中微机械剥离出石墨烯后，对石墨烯性质、制备方法及应用的研究受到越来越多的关注[36]。石墨烯是石墨材料的基本构建单元，它可以
【参考文献】：
期刊论文
[1]化学还原氧化石墨烯制备高性能石墨烯自组装水凝胶(英文)[J]. 盛凯旋,徐宇曦,李春,石高全. 新型炭材料. 2011(01)
[2]分子间相互作用力的直接测量[J]. 张义恒,王治强,张希. 高分子学报. 2009(10)
博士论文
[1]单分子力化学和软力化学[D]. 黄文茂.南京大学 2017
[2]利用单分子力谱研究贻贝足丝蛋白的生物力学性质[D]. 李一然.南京大学 2017
[3]多肽自组装材料的物理力学性质及其应用[D]. 薛斌.南京大学 2017
[4]爬山虎吸盘多糖的分离纯化、结构表征与粘附性能研究[D]. 张莉.华南理工大学 2014
[5]高分子界面吸附的单分子力谱研究[D]. 崔树勋.吉林大学 2004
本文编号：3632457
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