蛋白质凝胶，登上Nature Nanotechnology：可挡超音速“子弹”，关键还不发烫！

极端能量耗散材料在军工、航空航天领域是必不可少的。比如，军队和警察部队需要防护装甲以确保其人员的安全，而航空航天工业需要能够捕获、保存和研究空间中超高速飞行的物质。当需要应对高速飞行抛射物撞击时，材料必须应对波的传播（弹性、冲击和塑性）、破碎、穿孔和剥落。因此，为了能够实现材料对高速飞行物的拦截捕捉，材料必须具备有效的能量消散机制，以保证对冲击能量的耗散。

现阶段，有很多材料被应用于高速物体的捕捉，在不同领域所使用的能量耗散材料也具有不同的特性。在军事和警察部队使用防弹衣来保护穿戴者免受子弹或弹片等射弹的穿透。通常情况下，这种防弹衣由多层系统组成，通常是由纤维增强复合材料支撑的陶瓷表面。这种多层设计使坚硬、易碎的陶瓷能够破坏弹头，将动能分散到背板上，背板反射出拉伸波并捕捉到破碎的陶瓷。尽管这些装甲系统有效地阻挡了穿透力，但动能的剩余部分仍然分布在穿戴者身上，往往导致装甲后的钝器创伤。此外，在撞击过程中，这种形式的装甲被不可逆转地损坏，影响了其结构的完整性，无法继续使用。而在航空航天部门用来捕获和保存空间碎片、空间尘埃和微流星体的冲击消能材料与防弹衣材料完全不同。气凝胶是目前空间碎片捕获和保存的常用材料，这类材料通过将弹丸动能转化为机械能和热能来实现能量消散。然而，在捕获碎片的同时会产生温度升高，再加上气凝胶卓越的绝缘性能，会导致气凝胶结构融化。此外，这些升高的温度可能会损害捕获的碎片的结构，改变其化学成分。从上述例子中可以看出，现阶段能量耗散机制的材料在经受冲击后都有着能量耗散不足导致的放热和强冲击余波的问题，这也是这一领域的固有问题。

为了提升材料的能量耗散性，近期英国肯特大学的Jennifer R. Hiscock和Benjamin T. Goult提出了利用一种自然界的机械蛋白（Talin，踝蛋白）的重组蛋白（pGEL）作为单体，所合成的凝胶（TSAM）实现了有效的能量消散。并且这种蛋白能够在去除力后重新折叠，在任何潜在的冲击后保留其能量耗散机制。由于蛋白质展开的内热能量消散机制。因此，在遭受超音速冲击时，不会观察到像气凝胶能量消散机制导致的材料变热现象，这为目前最先进的冲击吸收材料的一些限制提供了解决方案。该工作以题为“Next-generation protein-based materials capture and preserve projectiles from supersonic impacts”的文章发表于Nature Nanotechnology上。

TSAM凝胶的设计和表征

在该文中所采用的Talin是一种高弹性蛋白，它介导着肌动蛋白细胞骨架和整合素细胞外基质受体之间的联系，充当着机械传感器。以前的研究表明，Talin可以通过其13个四或五螺旋杆状结构域发生展开和再折叠，当在生理相关范围内被拉伸时，Talin蛋白能够将蛋白质所经历的平均力维持在10pN以下。此外，在消除力的情况下，Talin蛋白杆状结构的重新折叠在许多力的循环中以高保真度发生，证实Talin蛋白是一种细胞的冲击吸收剂。在该文中，使用化合物1（对照单价化合物）和2（三价交联剂），和pGEL通过末端半胱氨酸与交联剂2形成三取代而交联成凝胶。

通过动态力学研究，TSAMs凝胶在整个剪切应变测试范围内呈现出G'>G"，证实了粘弹性行为的保留。在第3-5次扫描期间，观察到G'的正梯度随着X轴上剪切应变的增加而出现，这一现象称为应变变硬。随着每次扫频中增加振幅，变僵化被进一步观察到，复合模量（G*）（G'和G "之和）随着扫描次数的增加而增加。扫频3-5的G'的峰值最大值之后，G'随着剪切应变的增加而减少。G'的下降表明材料刚性的降低。此外，每次扫描的相位角显示了一个钟形曲线，钟形的峰值振幅在随后的每次扫描中都会增加。相位角的增加与刚度的降低同时被观察到。综合来看，上述观察结果都是由TSAMs内的pGEL单体展开的诱导引起的。具体来说，网络刚性的增加意味着可以对纤维本身施加应变。当达到最大的纤维应变时，TSAM R1-R3结构域发生了大规模的链式展开，降低了材料的刚性，并从现在展开的pGEL单体结构域的延伸将松弛引入系统。这种松弛表现为刚度的降低（G'的降低）和相角的突然增加。在施加越来越大的剪切应变后，未折叠的TSAM R1-R3域的松弛被吸收，增加了纤维上的张力，因此，材料的刚度也随之增加。这可以从相位角的减少和G'的增加中观察到。

TSAMs实现对超音速弹丸的冲击力耗散研究

该文还报道了TSAM作为冲击吸收材料的性能测试。捕捉对象为1.5公里/秒的速度玄武岩颗粒，并且采用聚乙烯吡咯烷酮水凝胶作为对照，对材料的撞击中生存的能力；（撞击铝背板之前减少射弹力的能力和捕获射弹的能力。当以1.5公里/秒的速度射出时，对照的凝胶被摧毁，凝胶后面的胶带上有一个明显的洞，铝背板上产生一个直径1.33毫米的坑。因此，这个材料对照组没有显示出可检测的冲击吸收特性。然而，在类似的实验条件下，TSAM从正面看主要是完整的，在支撑带和铝背板上都没有检测到弹丸渗透。此外，随后的SEM分析发现玄武岩颗粒嵌入到TSAM中，证实TSAM完全吸收了玄武岩弹丸的冲击。TSAM的透明度是另外一个理想的特性，允许从TSAM中轻松地取出夹住的弹丸。

小结：该文利用生物蛋白材料设计了一种性能优良的能量耗散材料，以实现高速飞行物的捕捉。多个串联的蛋白结构域使蛋白在大的应变变化中充当一个力的缓冲器。TSAMs可以吸收玄武岩颗粒和较大的铝弹片的超音速弹丸冲击。些结果使TSAMs在航空航天和国防工业中得到应用，例如作为多层装甲的支撑物，其中需要捕获破碎的陶瓷，以及在超高速冲击实验中，需要保留弹丸以便进一步研究。此外，通过TSAM内滑石蛋白结构域在消除力之后的可逆再折叠，该材料也显示了反复使用的潜力。由于滑石蛋白包含13个螺旋结构域，每个都有独特的展开力，这可以通过修改单体单元中的滑石蛋白结构域来进行调整，从而为不同的应用场景定制不同的机械性能能量耗散材料。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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