案例分享 | AFM助力研究分层材料组装技术：由肽到丝

在本文中，研究人员报道了一种以丝蛋白为原料，以肽超分子组装为模板，通过纳米编织手段得到的厘米级的分层材料。他们通过原子力显微镜（AFM）在纳米尺度上对材料进行了结构以及机械性能的表征，并研究了如何通过改变组装过程中的诸多变量来人为调控合成材料的特性。

类似木材和骨骼这些天然材料通常具有独特的机械性能以及功能性，这是由于它们在多个长度尺度上具有着分层结构的特性。而通过模仿这些天然分层材料制得的合成材料则可以为生物以及纳米技术领域创造出许多新的机会。然而，目前大规模生产分层材料仍然具有一定挑战性。

来自麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的科研人员展示了一种从丝纤蛋白制得宏观尺度分层材料的方法。他们以(GAGSGA)2肽纳米晶须种子作为模板来引导从蚕丝蛋白到纳米纤维结构的组装过程。而通过更换肽种子的类型可以制得不同形态的丝结构。

研究人员利用AFM在纳米尺度对肽种子，以及合成的纳米纤维结构进行了表征，并研究了改变制备过程中的变量（例如丝纤蛋白的分子量、pH值以及肽种子的相对浓度等）对于实验结果的影响。

本文中报道的这一实验方法使得大规模生产分层材料成为了可能，并且可以通过改变实验条件人为调控材料特性。这种材料具有非常广阔的应用前景，比如水下粘合剂、可以检测食物是否变质的增强型传感器，以及水净化和过滤膜等。

Instrument used

Cypher S with AM-FM Viscoelastic Mapping Mode and Fast Force Mapping Mode options

Techniques used

文中对材料的机械性能及形貌的表征均是通过Cypher S型号AFM实现的。科研人员借助牛津仪器特有的AM-FM粘弹性成像模块（AM-FM Viscoelastic Mapping Mode）在大气环境下同时对样品的形貌、弹性模量以及探针的压入深度进行了高效、准确的表征。AM-FM模块是一种双频激发技术，对样品的破坏性很小，可以快速而准确地对样品的弹性和粘弹性进行表征。科研人员还利用了快速力阵列技术（Fast Force Mapping Mode）对处于液相环境的样品的弹性模量进行了表征。值得一提的是，快速力阵列技术在保证准确性的前提下，显著缩短了传统力阵列技术成像所需时间。在使用上述机械性能表征技术前，均通过牛津仪器AFM操作软件中的GetReal功能对所用悬臂进行了自动化、智能化的校准，以得到准确的定量测量结果。

参考文献: H. Sun and B. Marelli, Polypeptide templating for designer hierarchical materials.Nat. Commun. 11, 351 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-019-14257-0

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