«Я работаю над протонопроводящими материалами, начиная с моей докторской степени», – говорит Портейл. «Мне интересно узнать, что заставляет материал переносить протон, поэтому я много работал над оптимизацией структур на наноразмерном уровне, чтобы получить большую проводимость.’Но всего несколько лет назад он рассмотрел возможность создания их из биологических, похожих на белки структур. Он пришел к этой идее вместе с профессором Андреасом Херманом, бывшим коллегой из Университета Гронингена, сейчас работающим в DWI – Институте интерактивных материалов им. Лейбница в Германии. «Мы сразу увидели, что протонпроводящие биополимеры могут быть очень полезны для таких приложений, как биоэлектроника или датчики», – говорит Портале.
Более активные группы, большая проводимость
Но сначала им нужно было посмотреть, сработает ли идея. Портале: «Наша первая цель состояла в том, чтобы доказать, что мы можем точно настроить протонную проводимость полимеров на основе белков, настроив количество ионизируемых групп на полимерную цепь». Для этого исследователи приготовили ряд неструктурированных биополимеров с разным количеством ионизируемых групп, в данном случае групп карбоновых кислот.
Их протонная проводимость линейно масштабируется в зависимости от количества заряженных групп карбоновых кислот в цепи. ‘Это не было новаторским, все знают эту концепцию. Но мы были в восторге от того, что смогли сделать что-то, что сработало так, как ожидалось ”, – говорит Портале.
Для следующего шага Портале опирался на свой опыт в области синтетических полимеров: «За годы работы я узнал, что наноструктура полимера может сильно влиять на проводимость. Если у вас есть правильная наноструктура, она позволяет зарядам связываться вместе и увеличивать локальную концентрацию этих ионных групп, что значительно увеличивает протонную проводимость.«Поскольку первая партия биополимеров была полностью аморфной, исследователям пришлось перейти на другой материал. Они решили использовать известный белок, имеющий форму бочки. «Мы разработали этот бочкообразный белок и добавили на его поверхность нити, содержащие карбоциклическую кислоту», – объясняет Портале. ‘Это значительно увеличило проводимость.’
Новый полимер из шелка паука
К сожалению, ствол-полимерный оказался не очень практичным. Он не обладал механической прочностью и его трудно было обрабатывать, поэтому Портале и его коллегам пришлось искать альтернативу.
Они приземлились на всем известном натуральном полимере: паучьем шелке. «Это один из самых интересных материалов в природе, потому что он очень прочный, но его также можно использовать по-разному», – говорит Портале. «Я знал, что паучий шелк обладает удивительной наноструктурой, поэтому мы разработали протеиноподобный полимер, который имеет основную структуру паучьего шелка, но был модифицирован для размещения нитей карбоциклической кислоты.’
Новый материал сработал как шарм. «Мы обнаружили, что он самособирается в наномасштабе, подобно паучьему шелку, создавая при этом плотные кластеры заряженных групп, которые очень полезны для протонной проводимости», – объясняет Портале. ‘И мы смогли превратить его в прочную мембрану сантиметрового размера.Измеренная протонная проводимость была выше, чем у любых ранее известных биоматериалов, но, по словам Портале, их еще нет: «Это была в основном фундаментальная работа. Чтобы применить этот материал, нам действительно нужно его улучшить и сделать обрабатываемым.’
Мечты
Но даже несмотря на то, что работа еще не сделана, Портале и его сотрудники уже могут мечтать о применении своего полимера: «Мы думаем, что этот материал может быть полезен в качестве мембраны в топливных элементах.
Может быть, не для крупномасштабных топливных элементов, которые вы видите в автомобилях и на заводах, а для более мелких топливных элементов. Растет число имплантируемых биоэлектронных устройств, например, кардиостимуляторов с питанием от глюкозы.
В ближайшие годы мы надеемся выяснить, может ли наш полимер изменить ситуацию к лучшему, поскольку он уже является биосовместимым.’
В краткосрочной перспективе Portale в основном думает о датчиках. «На проводимость, которую мы измеряем в нашем материале, влияют факторы окружающей среды, такие как влажность или температура.
Поэтому, если вы хотите хранить что-то при определенной влажности, вы можете поместить этот полимер между двумя электродами и просто измерить, если что-то изменится.Однако, прежде чем все эти мечты осуществятся, нужно ответить на множество вопросов. «Я очень горжусь тем, что мы смогли контролировать эти новые материалы в молекулярном масштабе и создавать их с нуля. Но нам еще предстоит многое узнать об их возможностях и посмотреть, сможем ли мы улучшить их еще больше.’