麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們通過從自然界和合成纖維凱夫拉（Kevlar）的形成方式中獲得一些靈感，開發(fā)出了“自組裝”納米帶，他們說這種納米帶比鋼鐵還要堅(jiān)固。科學(xué)家們說，憑借其獨(dú)特的一系列特性和制造手段，這些新型材料可以找到各種用途，從水過濾到為電子設(shè)備供電。

“自組裝”納米帶的部分靈感來自于分子可以自行組裝成膜或自然界中其他重要結(jié)構(gòu)的方式。然而，用工程分子來重現(xiàn)這種情況并不簡單，科學(xué)家們通過讓它們在水中自組裝的方式取得了一些成功，不過這也是他們之前遇到的麻煩。

“這些基于小分子的材料往往退化得相當(dāng)快，”麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授Julia Ortony解釋道。“而且它們的化學(xué)性質(zhì)也不穩(wěn)定。當(dāng)你去除水時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)就會崩潰，特別是當(dāng)施加任何形式的外力時(shí)。”

在幾年的時(shí)間里，Ortony和她的團(tuán)隊(duì)一直在研究一類新的小分子，他們希望能夠解決這些缺點(diǎn)，現(xiàn)在他們已經(jīng)找到了一個(gè)解決方案。這些分子的特點(diǎn)是，外側(cè)部分是親水的，喜歡與水相互作用，內(nèi)側(cè)部分是疏水的，不喜歡與水相互作用，中間有很強(qiáng)的受凱夫拉啟發(fā)的氫鍵，使它們能夠與其他分子緊密結(jié)合。

團(tuán)隊(duì)在試錯(cuò)后想出了這個(gè)配方，涉及幾十個(gè)分子設(shè)計(jì)，但發(fā)現(xiàn)這個(gè)配方最適合。這是因?yàn)槭杷魏陀H水段的微妙混合，以及密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使得各個(gè)分子在水中以恰到好處的方式移動，因?yàn)橛行┎糠直灰后w吸引，而另一些則被排斥，盡管所有分子都相當(dāng)強(qiáng)烈地相互依附。

當(dāng)加入水后，分子會自行組合成僅有納米厚的長絲帶，被發(fā)現(xiàn)比鋼鐵還堅(jiān)固。然后，這些絲帶被拉伸成長長的線，可以被晾干和處理，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們可以承受的重量是其自身重量的200倍。這種材料還擁有令人難以置信的高表面積，每克材料的表面積達(dá)到200平方米。

“這種高表面質(zhì)量比為通過用更少的材料進(jìn)行更多的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)技術(shù)的小型化提供了希望，”該研究的第一作者Ty Christoff-Tempesta解釋說。

這些類型的高表面積材料具有很大潛力的一個(gè)領(lǐng)域是在水凈化方面。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)通過將某些分子涂覆在絲帶中，并利用它們將鉛和砷等重金屬從被污染的水中拉出來，來探索這些可能性。科學(xué)家們還在研究絲帶如何形成先進(jìn)的電子設(shè)備和電池的一部分，不過他們指出，現(xiàn)在研究還處于早期階段。

“我們很興奮地看到，我們對分子結(jié)構(gòu)的修改確實(shí)被分子的集體行為所放大，創(chuàng)造了具有極其強(qiáng)大機(jī)械性能的納米結(jié)構(gòu)，”O(jiān)rtony說。“下一步，找出最重要的應(yīng)用，將是令人興奮的。”

該研究發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》雜志上。
責(zé)編AJX