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“随波逐流”灵感大爆发:来自贝类的神奇胶水
来源:www.beike.red 时间:2017-10-30点击数:载入中...

当我们漫步在海滩,仔细观察会发现一个很有意思的现象:海边的贻贝、牡蛎等贝类生物能够很牢固地粘附在坚硬的石壁上,并能在一定程度上经受住海浪的冲击。那么究竟是什么原因使得它们之间具有如此强的结合能力呢?

美国普渡大学的Jonathan Wilker教授和加州大学加州大学圣芭芭拉分校的三位教授(J. Herbert Waite, Jacob N. Israelachvili, Alison Butler)都找到了这个问题的答案,前者在《Nature》,后者在《Science》上发文揭示海洋中贝类水下粘附的秘密。揭秘详情请看下文:

一、潜水带来灵感的神奇胶水/Nature

十五年前,Jonathan Wilker在加州海岸潜水时,波涛汹涌的海水让他只能“随波逐流”,但让人惊讶的是,他周围的贻贝却始终牢牢的固定在岩石上。Wilker是美国普渡大学的一名化学家兼材料工程师,这次潜水之后,他就想知道为什么软体动物能成功的抵制海水的冲击,又是如何在水下形成的强大粘合力,要知道大多数人造胶水只能应用于完全干燥的表面。而这次潜水让他走进了海洋聚合物的世界,也为他日后的化学研究奠定了基础。

Wilker在分析海洋生物体中某些具有强粘性物质的结构时发现,这类物质所含的蛋白具有高分子聚合物的结构特征。在这些蛋白结构中,很多酪氨酸(Tyrosine)的结构上多了一个羟基,被转化为多巴(DOPA),这种变化使得蛋白发生交联,并使胶能固定其上。而科研人员也发现,当DOPA分子上的羟基与一些无机物相结合时可以使这些蛋白成为高分子聚合物,这类高分子可以强有力的附着在一些物质表面。

二、揭示海洋中贝类水下粘附的秘密/Science

众所周知,我们生活中常用的粘胶剂(如丙烯酸酯、环氧树脂、聚氨酯),一般都要求在清洁与干燥的条件下才能生效,而贝类生物在湿润的海洋环境下却依然能够牢固地进行粘附。这其中到底有什么秘密呢?

美国加州大学圣芭芭拉分校的三位教授(J. Herbert Waite, Jacob N. Israelachvili, Alison Butler)领导的研究团队最近在《Science》发文揭秘了海洋中贝类水下粘度的原因。

Dopa (3,4-dihydroxyphenylalanine)

研究结果显示,这是因为贝类生物可以分泌出一种称为Dopa多巴3,4-dihydroxyphenylalanine)的氨基酸,catechol邻苯二酚1,2-dihydroxybenzene)为该多巴氨基酸的侧链,多巴氨基酸在含铁的环境中,主要依靠它的活性成分catechol发生氢键和金属螯合作用,从而产生较强的表面吸附效果。

当然,在不同的环境下catechol进行粘附作用的机制也是不一样的。如上图所示:1.当处于空气与纯水的环境中,包含catechol的多巴氨基酸会与阴离子表面发生结合作用;2.当处于盐水的环境中(海洋),多巴氨基酸由于具有高含量的赖氨酸和精氨酸残基,可以使得自身带正电荷,从而与阴离子表面产生比条件1更强的结合作用。

这个发现为科学家们研发出在各种潮湿环境下仍然有效的新型粘合剂提供了新的可能,并且可以通过设置环境来“量身定做”出具有不同粘合效果的胶黏剂。大大拓宽了传统胶黏剂的局限性,具有极其光明的应用前景!

 

Wilker教授他们找到了贝类水下粘附的秘密后,就一直在研究希望能开发出适应恶劣环境的新材料。最终他们仿照贻贝的粘附蛋白,制作出一种仿生聚合物。

贝类天然胶质中富含蛋白质与一种名为二羟苯丙氨酸的氨基酸的原理。当其他粘合剂与水发生反应的时候,二羟苯丙氨酸中的茶酚化合物仍然能保持粘性,将贻贝与其它材料的表面牢牢粘合。研究人员仿照该机制,在人工聚合物中添加了相同的氨基酸和贻贝蛋白质之后,成功制成了这款水下胶水。

研究测试表明,当用于粘接抛光铝片时,这种新胶水的表现优于10种商业粘合剂。在研究过程中,即便是粘结木材、聚四氟乙烯塑料和抛光铝片,它也比世界排名前五的胶粘剂更强。同时,它也是唯一一种在测试中连接木头与抛光铝片的粘合剂,粘性是天然胶质的17倍。

Wilker称,研究小组高度关注其中名为儿茶酚的化合物,儿茶酚-苯乙烯可能会是未来最强的水下粘合剂之一。水下环境中它有一种特殊天赋,能够“钻过”水体,持续粘合材料。

该研究项目由美国海军研究办公室支持,一段在人工海水舱内进行水下粘合的视频已被上传至国际视频网站。从视频中可知,该粘合剂在受控实验室条件下效果良好。研究者相信未来这种新型粘合剂能走入市场,实际应用于生活中。能够给汽车制造和房屋建造带来新改变,毕竟这些东西一直要接触水;还可以被用在水下修复中,不论是临时的还是永久修复;还有可能,它能成为更方便的修补工具,这样你不需要为了游泳池里的一个小裂缝而抽干一池子的水。

延伸阅读:

其实早在900多年前,我们的先民就发现了贝类水下惊人的粘附力。当时北宋建造洛阳桥时,为了巩固桥基,建造者在桥下养殖了大量的牡蛎,巧妙地利用牡额外壳附着力强,繁生速度快的特点,把桥基和桥墩牢固地胶结成一个整体,这是世界造桥史上别出心裁的“种蛎固基法”,也是世界上第一个把生物学应用于桥梁工程的先例。(详情可以查看小编之前写的《一座名桥,900年屹立不倒,最大功臣竟然是小小的它。》)

小编只想写个大大的“服”,我们的先民真是智慧无穷,如果那时候有什么科学学术期刊,发个《Science》、《Nature》都不在话下。由此想来,如今的我们应该把先人的毅力和智慧发扬光大,实现科技创新、科技兴国。

本文图文来源于《Science》、《Nature》等网络资料

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