玻璃海绵产生完美的周期性三维蛋白/二氧化硅介孔结构

一段大约一厘米厚的玻璃棒，由Monorhaphis Chuni使用，将自身连接到海洋地板上。长丝的内部结构，穿过该巨型玻璃棒的中心，类似于合成中孔材料的结构。然而，这种天然存在的材料的微观结构比合成对应物更常规。

来自Max Planck Institute的研究人员发现，海绵Monorhaphis Chuni形成玻璃灯丝，其具有具有类似方法的纳米孔的完美周期性布置，该方法用于制造人制成的介孔纳米材料。

由人类和生物生物制造的材料经常处理类似的合成挑战 - 偶尔独立地对类似的溶液会聚。一个例子是巨型玻璃棒，海绵M. Chuni用于锚固在海洋环境中。目前发现了来自Max Planck胶体和界面以及微观结构物理学的研究人员的协作努力，并分析了穿过该巨型玻璃棒的中心的灯丝的纳米结构。研究人员发现它几乎与纳米多孔人制造的纳米材料相似，这与生物医学，传感器技术和化学催化等领域的许多应用相关。M. Chuni在定期排列的蛋白质周围形成玻璃，称为硅藻土，尺寸测量约5纳米。这产生了一种类似于纸箱中堆的鸡蛋的结构，其中鸡蛋对应于蛋白质分子，而纸箱代表玻璃。人造玻璃纳米多孔结构围绕脂肪或复合聚合物的液滴产生。然而，以这种方式生产的材料中孔的尺寸和空间布置不像M. Chuni的玻璃长丝中的蛋白质填充的空腔一样均匀。

表面积的量通常在医学和技术中使用的材料中起重要作用，通常应该尽可能大。它可以容纳例如大量的药剂，并在体内逐渐释放它们。在化学中，许多方法的效率取决于表现出大表面的催化剂，在这种情况下可能发生反应。例如，在传感器中，灵敏度强烈取决于检测分子可以附着的表面的量。多孔结构是这种材料的一个很好的例子。

具有2至50纳米的孔的材料特别适合于这种目的。科学家认为这些是介孔的结构，将它们与微孔的结构区分开，具有较小的毛孔或大孔，具有较大的孔隙。最近，Igor Zlotnikov和Peter Fratzl，他在Max Planck Masscructure物理研究所与Peter Werner团队合作，从以色列理工学院和Yannicke Dauphin协作，与Peter Werner团队一起研究生物材料P.＆M.居里大学，本质上发现了一个介孔的材料，即在玻璃海绵Monorhaphis Chuni。海绵在印度和太平洋的底部居住，形成大约一厘米厚的玻璃棒，以将自身连接到海洋地板上。在其生命的过程中，杆长度长达三米。穿过该杆的中心的玻璃灯丝用直径为约5纳米的孔穿孔。每个孔被称为硅氨酸蛋白的蛋形蛋白分子占据，与玻璃中​​的孔相邻孔中的蛋白质分子连接。

玻璃海绵在毛孔尺寸和排列方面设定规律性标准

玻璃灯丝中的孔隙分布类似于堆叠的托盘状蛋纸盒。每个腔被称为硅丝蛋白的一种蛋白质分子占据，尺寸约为5纳米。

“中孔玻璃结构是最多研究的材料之一。这使得它更加出境，以便在自然中找到它们，“Igor Zlotnikov说。“据推测，这种结构不仅限于M. Chuni，而且也可能发生在其他玻璃海绵中。”然而，不仅M. Chuni不仅产生技术相关的中孔材料;海绵在尺寸分布和毛孔排列方面设定标准。在Igor Zlotnikov和他的同事研究的样本中，所有孔都有居住蛋白分子的大小，它们完全定期排列。隐喻地说，结构类似于夹纸，其在另一个像托盘上的另一个上堆叠。

研究人员使用了两个表征技术来获得灯丝内部架构的准确图像。首先，他们在柏林的Bessy II同步rotron设施中使用了X射线分析。X射线衍射的实验通常用于鉴定晶体的原子周期性结构。然而，Igor Zlotnikov的团队使用这种技术的变体来揭示较大规模的结构性周期，即孔径的规模及其空间排列。使用高分辨率透射电子显微镜与Peter Werner与Peter Werner合作的团队合作确认了结果。除了结构细节外，该技术还允许研究人员对当地化学成分进行断言。

但是，研究人员甚至超过了揭示了结构的周期性的令人惊讶的是，这是M. Chuni产生它的方式：“Max Planck胶体和界面的最大普朗克斯研究所主任Peter Fratzl说：”本质和人类在类似的制造方法中融合了“。要继续蛋纸盒的图像，玻璃海绵首先堆叠一个或甚至甚至几层卵 - 即蛋白质分子 - 然后用纸板或在这种情况下填充间隙。

孔径在合成中孔材料中变化

来自透射电子显微镜（TEM / EDX）的图像，其允许构造的化学成分映射，示出了丝状硅酸盐分子（黄色）和玻璃（蓝色）的周期性结构。

由于作为周围玻璃结构的一种模型的蛋白质分子均以相同的尺寸，所以所获得的材料中的孔也具有相同的直径并形成完全均匀的结构。通过合成方法实现这种精度难，即使中孔玻璃以非常相似的方式产生。这里，产生玻璃的有机液滴确定孔形状。随后，使用洗涤剂溶解从纳米结构的液滴 - 原则上，除了洗碗液之外。然而，科学家不能正如控制蛋白质的大小的生物体的生物化学设备那样调整液滴的大小。因此，合成中孔材料中的孔径变化，并且腔不会将自己安排成一个完全规则的图案。

Igor Zlotnikov说：“用硅氨酸突或其他蛋白质，可以产生具有完全均匀的孔径和完全周期性排列的介孔材料。“那将是非常昂贵的。”模仿定期的结构化材料类似于M. Chuni的那些，暂时，不是Max Planck研究人员的目标。他们目前正在研究中孔结构是否在玻璃灯丝的大区域上是均匀的，因为它在它们分析当前出版物的100微米部分。“除此之外，我们专注于整个玻璃棒的结构与机械性能之间的关系”，Peter Fratzl说。此外，在结构优化方面，C.努力设定标准，以提高其机械行为。

出版物：Igor Zlotnikov，ETA L.，“由生物体产生的完全周期性的三维蛋白/二氧化硅介孔结构”，先进的材料，2013年，高级材料; DOI：10.1002 / ADMA.201304696

图片：Igor Zlotnikov / MPI的胶体和界面; Peter Werner / MPI的微观结构物理; Andreas Graff / Fraunhofer材料机械机械研究所IWM