2013年5月期刊俱乐部主题:生物和受生物启发的超分子组装的力学

超分子组装是由简单分子构件组成的动态结构，由可逆(弱)分子间相互作用(例如氢键)驱动自组装成层次组织的复合体。这种自下而上的材料合成方法在自然界中被用于创造耐缺陷、高功能的材料，这些材料表现出非凡的机械性能，这些机械性能来自于弱相互作用的平行簇，如共同工作的氢键。这种几何排列可以在稳定的生物分子组合中观察到，如蜘蛛丝和淀粉样斑块(例如，参见早期期刊俱乐部关于蛋白质材料的条目)节点/ 2653)．

在这个期刊俱乐部，我们强调了我们在生物，生物分子和生物启发系统中对超分子组装的理解的一些最新进展。弱键的力学行为是讨论的核心。弱键是可逆的，遵循非确定性动力学，它们的寿命取决于施加载荷的大小、方向和速率，更高的载荷导致更刚性的响应。与力有关的单障碍动力学模型，如Bell模型(G.I.贝尔，《科学》，1978)为讨论弱可逆键的断裂机制提供了一个方便的起点。这种简单的模型通常与蒙特卡罗(MC)技术结合使用，研究具有特定键网络结构的键簇的协同响应。它还有助于解释单分子原子力显微镜实验和蛋白质展开的分子动力学模拟，以及细胞粘附和运动实验。我们建议读者参考Ben Freund教授、高华健教授及其同事的工作，他们在各种边界条件下对分子键簇的最佳大小进行了理论预测。这些研究表明，键可逆性有利于较大的键簇，而键间负载分布不均匀则有利于较小的键簇［1］．此外，研究还发现，最佳尺寸可以产生于纳米尺度表面和体积主导相互作用制度之间的过渡［2］．

超分子材料的反直觉力学行为(弱相互作用产生高强度)通常源于不同长度尺度或层次的尺寸和限制效应(Buehler & Keten，现代物理学评论，2010)．在材料文献中可以找到几个通过尺寸限制或几何约束实现最佳性能的例子［3.］．Keten等人使用MD模拟表明，负责蜘蛛丝高强度的β -薄片晶体使用几何纳米约束来实现最佳刚度和韧性。通过限制它们的尺寸，beta-sheet的失效机制被限制为优化力学响应的机制(均匀剪切下的粘滑机制)，强调了尺寸和约束效应在超分子系统中的重要性［4］．最近，设计肽和有机聚合物已被开发出来，以利用氢键和其他非共价相互作用在新型生物启发的高性能功能材料中，这些材料具有出色的刺激响应性、自愈合性和机械性能。然而，在模拟这些新型材料系统的力学响应时，还面临着许多挑战。特别是，由非共价键在热波动下的随机性质引起的超分子组合的动态特性，对使用经典工程分析工具评估其机械响应提出了重要的挑战。我们迫切需要基于统计力学和粗粒度方法的中尺度模型来解释装配、结构和断裂之间的相互作用。另一个需要考虑的问题是，在自组装系统中，这三个因素之间的耦合在材料开发连续体的所有阶段都可以观察到，包括加工。

在我们的团队中，我们目前正在研究环肽纳米管(CPNs)，这是一种超分子有机纳米管，表现出出色的机械刚度和运输性能，与生物跨膜蛋白相匹配，具有诱人的潜力，作为膜中的合成纳米孔，用于碳捕获或低能海水淡化等应用。利用Bell的模型和二聚体上的MC模拟，我们描述了CPN的负载依赖强度，并能够预测沿故障位置的概率分布弯曲变形下的纳米管［5］．这些发现对于理解这些自组装系统的碎片化和最终大小分布很重要，这可能涉及到由管断裂引起的次级生长机制，类似于生物学中的自我复制系统(如淀粉样蛋白)。

我们最近的研究集中在了解聚合物附着在纳米管构建块上如何用于控制二元功能肽混合物的机械性能和堆叠顺序。这些聚合物-肽缀合物的中尺度力学在许多方面都是谜，涉及竞争效应，例如通过氢键获得的焓增益与由于限制而结合的熵损失，以及非平衡自组装过程的动力学效应特征。我们目前正在建立一种力学方法来量化熵聚合物弹簧和弱相互作用的纳米约束所产生的力。我们预计，如果成功，这种方法可以用来指导嵌段共聚物膜中混合CPs的堆叠顺序，以产生具有明确内部性质的人工离子通道。更广泛地说，新的理论和力学模型将导致对超分子材料物理的基本理解，这对于发现受到生物学启发的强大、坚韧和多功能系统至关重要。

路易斯·鲁伊斯(西北大学理论与应用力学博士生)

计算纳米动力学实验室(项目主任:司南克顿教授)

建议阅读:

1.林，y，和l。b。弗洛伊德，黏附中分子键簇的最佳大小。物理评论E辑，2008。78(2): p. 021909。

2.Yao, H.， P. Guduru和H. Gao，最佳尺寸下纳米球分子间粘附的最大强度．英国皇家学会界面杂志，2008。5(28): p. 1363-1370。

3.高，H.等，材料对纳米尺度的缺陷变得不敏感:来自大自然的教训．美国国家科学院学报，2003年。100(10): p. 5597-5600。

4.Keten, S.等人纳米约束控制丝中[β]薄片晶体的刚度、强度和机械韧性。自然材料，2010。9(4): p. 359-367。

5.鲁伊斯等人，机械力作用下超分子纳米管的持续长度和随机碎裂．纳米技术,2013年。24(19): p. 195103。