具有压电特性的多肽纳米线构建及其性能研究

Piezoelectricity is the ability of noncentrosymmetric crystals to produce mechanical stress/strain under electric field or charge under mechanical stress. This property has long been used in acoustic transducers, sensors/actuators, piezomotors, and more. Recently, it was shown that hierarchically organized natural materials such as bones, collagen fibrils and peptide nanotubes can display piezoelectric properties. Here, based on the piezoelectric properties of some proteins, we propose a piezoelectric nanowire composed of α-helical peptide. Our research work will focus on two points: 1) Design and fabrication of a piezo-peptide nanowire using α-helical peptide. The effects of external environment (temperature and pH) on the molecular structure and nanowire morphology will be discussed. 2) The study on the piezoelectric properties of peptide nanowire. We will explore the effect of mechanical stress and direction on the piezoelectric coefficient, and the piezoelectric mechanism will be discussed by the relationship between macro polarization of nanowire and internal dipole.

压电材料可以实现机械能与电能的相互转换，其在生物内的能源采集、传感、医疗等领域的应用受到广泛关注。由生物分子构建高性能的压电材料是当前的研究热点，其中具有压电性能的生物分子结构设计与组装方法仍存在许多难题。申请人受生物体中某些蛋白质具有压电特性的启发，根据长期从事多肽研究工作的基础提出：可以利用生物小分子α-螺旋多肽通过分子自组装的方法制备压电多肽纳米线。本课题旨在：1)研究具有压电特性多肽分子结构的设计与组装方法，建立构建压电多肽纳米线的系统化方案。研究反应动力学与反应热力学因素、氨基酸侧链官能基团与序列顺序对多肽分子结构、纳米线形貌的影响。2)研究多肽纳米线的压电性能。通过压电力显微镜对多肽纳米线的应力施加方式和应力方向的研究，探索其最大电位值以及外部宏观应力对压电性能的影响。结合多肽分子结构分析，研究纳米线宏观极化与多肽内部偶极子极化程度的关系，揭示多肽纳米线压电性产生机理。

能量转换在自然界和人类的生产活动中都占据非常重要的地位，由生物分子构筑高效的能量转换系统是当前研究热点。其中如何在温和条件下将生物分子进行微观结构可控地有序组装是构筑上述能量转换体系（如生物压电材料）的一大挑战。为了实现本课题的上述目标，课题负责人受生物体中某些蛋白质具有压电特性的启发，根据长期从事多肽研究工作的基础，成功地设计并合成了基于苯丙氨酸二肽分子的短肽组装基元。苯丙氨酸二肽类分子可在特定环境下利用其分子结构，包括两个苯环和一个酰胺键，形成π−π堆积、氢键等非共价结合，组装得到特定的纳米结构，从而实现自组装，且便于修饰。我们将含有芘类、苯蒽类等富含苯环的官能团修饰于短肽分子上，通过调节基于苯丙氨酸短肽的自组装行为，从而控制体系中作为能量给体与受体间的空间距离，实现给、受体间的能量转换/传递的目的。该方案实验操作简单，给体与受体分子比例可任意调控，构筑基元可根据需要进行选择、设计，具有很好的灵活性。我们系统地研究了上述短肽组装基元在一元、二元体系中的各项理化性能、组装行为，发现上述组装基元通过自组装得到的聚集体具备刺激相应性，可以得到在自然光下无色透明的短肽水凝胶。在水凝胶的三维网状结构中，能量给、受体分子间的氢键及π-π键组装成网状纤维。这样的三维网状结构在束缚水分子的同时拉近给、受体间的距离，增进了能量的传递。本研究揭示了能量给体与受体组装基元间相互作用的本质和协同规律，创建了新型的分子自组装体系，实现分子间纳米尺度范围内精密控制的自组装行为。