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美国太平洋西北国家实验室在研究晶体形成机理方面取得突破,有望帮助能源和医疗技术产品的设计

2017-04-20 228浏览 标签:

2017417日,美国能源部太平洋西北国家实验室(PNNL)在研究晶体结晶机理方面取得突破,该团队发现通过修改初始成分,可以改变晶体结晶的路径。此次研究结果可能将会帮助科学家们实现对药物开发、能源技术更好的控制。

太平洋西北国家实验室和华盛顿大学的材料科学家Jim De Yoreo表示:这些发现涉及到一个对结晶路径的持续争论,此次研究成果意味着您可以通过仔细选择初始分子的结构来控制材料组装的各个阶段。

目前,化学家们还没有能力能够控制晶体结晶,部分原因是由于他们不知道结晶过程中最早的一步是如何发生的。其中的一个争论是复杂分子是否可以通过一个分子与一个分子的结合,实现直接组装,科学家们将它称为一步工艺。

而另一观点持有方认为,结晶过程需要两步。实验表明,初始分子会首先形成无序的团块,然后再经由团块内开始重新排列成晶体。这就好像扑克牌需要先被混合,然后才能被整理整齐。De Yoreo和他的同事想确定晶体的结晶是否总是需要无序的那一步。

为了做到这一点,该团队的科学家们使用类肽进行了实验,类肽并不复杂,只是一串有两个重复化学单元(比如“ABABAB”)的链,并且有十几个亚单位长。

在第二个系列的实验中,科学家们想要测试一个稍微复杂的分子是如何组装的,于是它们在初始类肽的尾部添加了一个分子,这些分子可以互相吸引。该团队预计它们的结合将导致新分子的聚集,但他们不知道之后将发生什么。研究人员将两种类肽分子放进溶液中以使它们结晶,随后,该团队使用了各种各样的分析技术来研究类肽形成晶体的形状和速度,结果他们发现这两种类肽形成晶体的路径是不同的。

正如科学家们预期的那样,简单的类肽形成了几纳米大小的初始晶体,并且随着更多类肽的聚集,晶体的长度和高度都将随着增加。较为简单的类肽遵循一步结晶过程的所有规则。

但是当为其添加了一个尾巴分子之后,这种规则就被打乱了,导致在晶体生成之前发生了一系列复杂的事件。总的来说,该团队发现,这种更复杂的类肽首先聚集成小团簇,这是在简单类肽结晶过程中没有被观察到的。

De Yoreo说:我们并没有期望这样一个微小的改变将使类肽的结晶行为发生这样大的改变。这个结果使我们以新的方式思考这个分子系统,我们认为这将带来对仿生材料设计和组装的更有预测性的控制。




图:将一步结晶(左)的类肽晶体改变一点就将其结晶路径变得复杂得多(右)

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