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盡管玻璃具有無序的液體狀結構，但它具有固體狀的機械性能。玻璃材料的形成是通過玻璃化，防止結晶和促進非晶結構。由于其獨特的光學，化學和機械性能以及耐用性，多功能性和環境可持續性，玻璃在材料科學的各個領域都是基礎。

然而，在不影響其性能的情況下，設計玻璃材料是具有挑戰性的。

在此，來自以色列特拉維夫大學的Ehud Gazit等研究者報道了一種由短芳三肽YYY與結構水非共價交聯引發的自發自組織形成的超分子非晶玻璃。相關論文以題為“A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass”于2024年06月12日發表在Nature上。

玻璃的特點是非結晶的、無序的原子結構。隨機分子排列是通過抑制熱力學上有利的周期性組織來實現的，通常是通過熔體的快速冷卻，從而在動力學上捕獲液體狀非晶結構。

玻璃結構可以很容易地由聚合物構建，因為長聚合物鏈的糾纏或交聯降低了它們的分子遷移率。由于其通常固定的分子結構，高分子量玻璃聚合物表現出顯著的剛度，但其緩慢的分子擴散速率需要加熱才能自愈。

相比之下，低分子量的橡膠聚合物可以在室溫下自愈，因為它們的分子遷移率高，但柔軟且可變形。因此，同時表現出強大的機械性能和在環境條件下自愈能力的玻璃材料很少被描述。

除了聚合物玻璃，各種小的有機分子可以通過非共價鍵組裝成無定形固體，盡管它們的高遷移率。為了形成分子玻璃，分子間的相互作用必須是強的，但非周期性的，這就阻止了具有長程有序的超分子結構的形成。像水這樣具有強氫鍵能力的小分子的結合可以滿足這一需求，就像蛋白質折疊的穩定性一樣。

作為生命的基本組成部分，多肽被認為是超分子化學中有吸引力的結構元素，具有自組裝成具有獨特物理、化學和生物特性的結構的傾向。大多數肽基材料是結晶的。

例如，短芳香肽傾向于通過遠距離π堆積相互作用組裝，從而獲得高結晶度和令人印象深刻的機械性能。相比之下，處于穩定玻璃相的無定形肽基材料非常罕見。

在這里，研究者報道了一種超分子非晶玻璃的發現，這種玻璃是由短芳香三肽YYY與結構水的非共價交聯引發的自發自組織形成的。

這個系統獨特地結合了經常相互矛盾的屬性集；它是高度剛性的，但可以在室溫下進行完全的自愈。此外，超分子玻璃是一種非常強的粘合劑，但它在可見光到中紅外的寬光譜范圍內是透明的。

這種特殊的特性在由天然氨基酸組成的簡單生物有機肽玻璃中被觀察到，呈現出一種多功能材料，可以在科學和工程的各種應用中非常有利。

圖1 肽玻璃組裝及其光學性質。

圖2 通過水分子的非共價交聯產生對親水性表面的粘附性能的肽玻璃組裝機制。

圖3 力學性能隨水化水平變化的動態調節。

圖4 多肽玻璃的開裂和自愈。

綜上所述，酪氨酸三肽通過與結構水分子構建非特異性氫鍵網絡，意外地形成了超分子無定形玻璃材料。在其凍干狀態下，YYY肽是一種白色固體粉末，沒有粘性或粘附性。

然而，水合作用引發水分子形成強的非共價交聯，從而產生具有固有聚合物特征的超分子玻璃，盡管肽構建塊的分子量非常低。

由結構水分子整合形成的獨特結構，以及它們的塑化特性，提供了各種吸引人的特征。它允許選擇性粘附到親水表面，從脆性到延性的機械性能動態調節，以及在溫和條件下自愈的能力。

此外，多肽玻璃的動態特性使其能夠被回收利用。由于大多數玻璃材料是不可降解的，因此開發可回收的替代品是至關重要的。由于水在結構中的關鍵作用，這種特殊的肽玻璃從基本的肽科學方面是迷人的。

此外，其堅固的機械性能和自愈能力在材料工程中特別有利。其廣泛的透明度范圍，連同折射率匹配，可以在光學和電光學制造的應用中非常有用。

它可以作為多層光學的粘合劑，作為光學浸沒膠，或者使用自下而上的方法輕松制造光學鏡片。所有這些特性都證明了YYY肽基玻璃非凡的多功能性。

【參考文獻】

Finkelstein-Zuta, G., Arnon, Z.A., Vijayakanth, T. et al. A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass. Nature 630, 368–374 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07408-x

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07408-x

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