一款像智能手表一樣監(jiān)測(cè)步數(shù)和心跳的手環(huán)，一件通過(guò)內(nèi)置空調(diào)讓你保持涼爽的衣服，一種比笨重的起搏器更有助于心臟康復(fù)的柔軟植入物……通過(guò)將被稱(chēng)為肽的氨基酸短鏈與聚合物塑料片段結(jié)合，研究人員創(chuàng)造出一種新型電活性材料。

近日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的研究報(bào)道了這種“電塑料”。它可以存儲(chǔ)能量或記錄信息，從而為自動(dòng)充電的可穿戴設(shè)備、實(shí)時(shí)神經(jīng)接口以及比現(xiàn)有技術(shù)更好地與身體融合的醫(yī)療植入物研制打開(kāi)了大門(mén)。

大多數(shù)電子材料都是剛性的，或者含有有毒金屬，這使得設(shè)計(jì)符合人體或可嵌入組織的設(shè)備變得很困難。一種名為聚偏二氟乙烯（PVDF）的聚合物是可用于電子設(shè)備的幾種軟塑料之一。它于20世紀(jì)40年代被發(fā)現(xiàn)，具有極性結(jié)構(gòu)，在受到外部電壓刺激時(shí)會(huì)改變自己的方向——在化學(xué)上，這相當(dāng)于翻轉(zhuǎn)了電子位。然而，這些“鐵電”性質(zhì)并不穩(wěn)定，在較高溫度下會(huì)消失。此外，這種塑料需要高電壓來(lái)切換極性，使得操作更加耗能。

在這項(xiàng)研究中，美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)家Samuel Stupp和同事認(rèn)為他們可以改善PVDF的性能。該團(tuán)隊(duì)將肽與小的PVDF片段連接起來(lái)，后者可以自然組裝成長(zhǎng)而柔軟的帶狀物。然后，這些分子結(jié)合成束，排列成一種電活性材料。“值得注意的是，自組裝過(guò)程是由加水觸發(fā)的。”Stupp說(shuō)。

這種新材料打破了PVDF的局限性。與其他鐵電材料相比，它切換所需的電壓僅為1/100，成為低功耗應(yīng)用的理想選擇。而且這種材料在110攝氏度的溫度下仍能保持鐵電性能，比其他PVDF材料高出約40攝氏度。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，新材料通過(guò)電切換每個(gè)條帶的極性來(lái)存儲(chǔ)能量或信息。由于每個(gè)條帶末端的肽可以連接神經(jīng)元或其他細(xì)胞的蛋白質(zhì)，從而使這些分子可以記錄來(lái)自大腦、心臟或其他器官的信號(hào)，或者對(duì)它們進(jìn)行電刺激。Stupp說(shuō)，使用超聲波等低功率技術(shù)對(duì)分子進(jìn)行“充電”后，這種材料可用來(lái)刺激神經(jīng)元，以治療慢性癱瘓。

論文作者之一、西北大學(xué)電力工程師楊洋（音）指出，PVDF具有生物相容性，使其成為可以從體外無(wú)線控制的軟植入物候選材料。

盡管PVDF無(wú)毒，但一些研究人員對(duì)它的長(zhǎng)期環(huán)境影響持謹(jǐn)慎態(tài)度。含氟化合物在環(huán)境中可存在數(shù)百年，而這是歐洲提出禁止PVDF的原因之一。

未參與該研究的美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校的環(huán)境工程師William Arnold表示，微生物可能將PVDF片段分解成三氟乙酸，這是一種最近受到關(guān)注的污染物。他補(bǔ)充說(shuō)，為了制備新材料，Stupp團(tuán)隊(duì)使用了一種全氟和多氟烷基物質(zhì)分子，這是另一種與環(huán)境和人類(lèi)健康問(wèn)題有關(guān)的長(zhǎng)效含氟化合物。

到目前為止，Stupp團(tuán)隊(duì)只對(duì)分子進(jìn)行了小規(guī)模評(píng)估。未參與這項(xiàng)研究的美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校的化學(xué)家Frank Leibfarth說(shuō)，擴(kuò)大規(guī)模需要將水懸浮結(jié)構(gòu)沉積在設(shè)備上，而不改變它們。不過(guò)，“與其他有機(jī)聚合物相比，這一進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了許多有吸引力的特性”。

盡管面臨挑戰(zhàn)，Stupp仍然相信肽和PVDF的結(jié)合是成功的秘訣。“這篇論文的概念比偏氟乙烯廣泛得多，而且還有其他不含氟的可能性。”他希望這種材料代表了一個(gè)未來(lái)的開(kāi)始。（文樂(lè)樂(lè)）

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)