Peptiden en kunststoffen vormen samen energie-efficiënte materialen

Zet harde, stijve materialen opzij. Er is een nieuw zacht, duurzaam elektroactief materiaal in de stad – en het staat klaar om nieuwe mogelijkheden te openen voor medische apparatuur, draagbare technologie en mens-computerinterfaces.

Met behulp van peptiden en een fragment van de grote moleculen in kunststoffen hebben materiaalwetenschappers van de Northwestern University materialen ontwikkeld die zijn gemaakt van kleine, flexibele linten van nanoformaat die net als een batterij kunnen worden opgeladen om energie op te slaan of digitale informatie vast te leggen.

De systemen zijn zeer energie-efficiënt, biocompatibel en gemaakt van duurzame materialen en zouden aanleiding kunnen geven tot nieuwe soorten ultralichte elektronische apparaten, terwijl de impact op het milieu van de productie en verwijdering van elektronische apparaten zou worden verminderd.

De studie, “Peptideprogrammering van een supramoleculaire vinylideenfluoride ferro-elektrische fase”, was gepubliceerd op 9 oktober in het tijdschrift Natuur.

Met verdere ontwikkeling zouden de nieuwe zachte materialen kunnen worden gebruikt in energiezuinige, energiezuinige microscopische geheugenchips, sensoren en energieopslageenheden. Onderzoekers zouden ze ook kunnen integreren in geweven vezels om slimme stoffen of stickerachtige medische implantaten te creëren.

In de huidige draagbare apparaten wordt de elektronica onhandig met een polsbandje aan het lichaam vastgemaakt. Maar met de nieuwe materialen zou het polsbandje zelf elektronische activiteit kunnen hebben.

“Dit is een geheel nieuw concept in de materiaalwetenschap en het onderzoek naar zachte materialen”, zegt Samuel I. Stupp van Northwestern, die het onderzoek leidde.

“Wij stellen ons een toekomst voor waarin je een shirt kunt dragen met ingebouwde airconditioning of kunt vertrouwen op zachte bioactieve implantaten die aanvoelen als weefsels en draadloos worden geactiveerd om de hart- of hersenfunctie te verbeteren.

“Die toepassingen vereisen elektrische en biologische signalen, maar we kunnen die toepassingen niet bouwen met klassieke elektroactieve materialen. Het is niet praktisch om harde materialen in onze organen te stoppen of in shirts die mensen kunnen dragen. We moeten elektrische signalen in de wereld van zachte materialen brengen. Dat is precies wat we in dit onderzoek hebben gedaan.”

Stupp is hoogleraar materiaalkunde en techniek, scheikunde, geneeskunde en biomedische technologie bij de Board of Trustees aan Northwestern.

Hij was de afgelopen tien jaar ook directeur van het door het Amerikaanse Department of Energy ondersteunde Center for Bio-Inspired Energy Science, waar dit onderzoek begon. Stupp heeft afspraken bij de McCormick School of Engineering, het Weinberg College of Arts and Sciences en de Northwestern University Feinberg School of Medicine. Yang Yang, een onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Stupp, is de eerste auteur van het artikel.

Peptiden ontmoeten kunststoffen voor echte innovatie

Het geheim achter het nieuwe materiaal zijn peptide-amfifielen, een veelzijdig platform van moleculen dat eerder in het laboratorium van Stupp werd ontwikkeld. Deze zelfassemblerende structuren vormen filamenten in water en zijn al veelbelovend gebleken in de regeneratieve geneeskunde. De moleculen bevatten peptiden en een lipidesegment, dat de moleculaire zelfassemblage aandrijft wanneer ze in water worden geplaatst.

In de nieuwe studie verving het team de lipidenstaart door een miniatuur moleculair segment van een plastic genaamd polyvinylideenfluoride (PVDF). Maar ze behielden het peptidesegment, dat sequenties van aminozuren bevat. PVDF wordt veel gebruikt in audio- en sonartechnologieën en is een kunststof met ongebruikelijke elektrische eigenschappen.

Het kan elektrische signalen genereren wanneer het wordt ingedrukt of samengedrukt – een eigenschap die bekend staat als piëzo-elektriciteit. Het is ook een ferro-elektrisch materiaal, wat betekent dat het een polaire structuur heeft die 180 graden van richting kan veranderen met behulp van een externe spanning. De dominante ferro-elektrische materialen in de technologie zijn harde materialen en bevatten vaak zeldzame of giftige metalen, zoals lood en niobium.

“PVDF werd eind jaren zestig ontdekt en is het eerste bekende plastic met ferro-elektrische eigenschappen”, zei Stupp.

“Het heeft de robuustheid van plastic en is tegelijkertijd bruikbaar voor elektrische apparaten. Dat maakt het een zeer waardevol materiaal voor geavanceerde technologieën. In pure vorm is het ferro-elektrische karakter echter niet stabiel, en als het boven de zogenaamde Curie-temperatuur verliest het zijn polariteit onomkeerbaar.”

Alle kunststoffen, inclusief PVDF, bevatten polymeren, gigantische moleculen die doorgaans zijn samengesteld uit duizenden chemische structurele eenheden. In de nieuwe studie synthetiseerde het Stupp-laboratorium nauwkeurig miniatuurpolymeren met slechts 3 tot 7 vinylideenfluoride-eenheden. Interessant genoeg zijn de miniatuursegmenten met 4, 5 of 6 eenheden geprogrammeerd door de beta-sheetstructuren van de natuur, die aanwezig zijn in eiwitten, om zich te organiseren in een stabiele ferro-elektrische fase.

“Het was geen triviale taak”, zei Stupp. “De combinatie van twee onwaarschijnlijke partners – peptiden en kunststoffen – heeft in veel opzichten tot een doorbraak geleid.”

Niet alleen waren de nieuwe materialen even ferro-elektrisch en piëzo-elektrisch als PVDF, maar de elektroactieve vormen waren stabiel, met het vermogen om van polariteit te wisselen met behulp van extreem lage externe spanningen. Dit opent de deur voor elektronica met een laag vermogen en duurzame apparaten op nanoschaal.

De wetenschappers voorzien ook de ontwikkeling van nieuwe biomedische technologieën door bioactieve signalen aan de peptidesegmenten te koppelen, een strategie die al wordt gebruikt in Stupps onderzoek naar regeneratieve geneeskunde. Dit biedt de unieke combinatie van elektrisch actieve materialen die ook bioactief zijn.

Voeg gewoon water toe

Om de duurzame structuren te creëren, voegde het team van Stupp simpelweg water toe om het zelfassemblageproces op gang te brengen. Na het onderdompelen van de materialen was Stupp verbaasd toen hij ontdekte dat ze de zeer gewilde ferro-elektrische eigenschappen van PVDF bereikten.

In de aanwezigheid van een extern elektrisch veld veranderen ferro-elektrische materialen hun polaire oriëntatie – vergelijkbaar met hoe een magneet van noord naar zuid en weer terug kan worden omgedraaid. Deze eigenschap is een belangrijk ingrediënt voor apparaten die informatie opslaan, een belangrijk kenmerk voor kunstmatige intelligentietechnologieën.

Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat ‘mutaties’ in de peptidesequentie eigenschappen konden afstemmen die verband houden met ferro-elektriciteit of zelfs de structuren konden transformeren in materialen die ideaal zijn voor activering of energieopslag, bekend als ‘relaxorfasen’.

“Peptidesequentiemutaties in de biologie zijn de bron van pathologieën of biologische voordelen”, aldus Stupp. “In de nieuwe materialen muteren we peptiden om hun eigenschappen af ​​te stemmen op de fysieke wereld.

“Met behulp van elektroden op nanoschaal kunnen we mogelijk een astronomisch aantal zelfassemblerende structuren blootstellen aan elektrische velden. We zouden hun polariteit kunnen omdraaien met een lage spanning, zodat de ene als een ‘één’ dient en de tegenovergestelde oriëntatie als een ‘nul’. ‘ Dit vormt een binaire code voor informatieopslag. Naast hun veelzijdigheid, en in groot contrast met gewone ferro-elektrische materialen, zijn de nieuwe materialen ‘multiaxiaal’, wat betekent dat ze polariteit in meerdere richtingen rond een cirkel kunnen genereren in plaats van in één of twee specifieke richtingen.’

Recordbrekend laag vermogen

Om hun polariteit om te draaien, hebben zelfs zachte ferro-elektrische materialen zoals PVDF of andere polymeren doorgaans een substantieel extern elektrisch veld nodig. De nieuwe structuren vereisen echter een ongelooflijk lage spanning.

“De energie die nodig is om hun polen om te draaien is de laagste die ooit is gerapporteerd voor multiaxiale zachte ferro-elektrische materialen”, zei Stupp. “Je kunt je voorstellen hoeveel energie dit zal besparen in steeds energievretende tijden.”

De nieuwe materialen hebben ook aangeboren voordelen voor het milieu. In tegenstelling tot typische kunststoffen, die eeuwenlang in het milieu blijven hangen, kunnen de materialen van het Stupp-laboratorium biologisch worden afgebroken of hergebruikt zonder het gebruik van schadelijke, giftige oplosmiddelen of hoogenergetische processen.

“We overwegen nu het gebruik van de nieuwe structuren in niet-conventionele toepassingen voor ferro-elektriciteit, waaronder biomedische apparaten en implantaten, evenals katalytische processen die belangrijk zijn in hernieuwbare energie,” zei Stupp.

“Gezien het gebruik van peptiden in de nieuwe materialen lenen ze zich voor functionaliteit met biologische signalen. We zijn erg enthousiast over deze nieuwe richtingen.”