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北科大姜乃生教授《ACS Macro Lett.》：側(cè)鏈支化對(duì)受限聚類肽薄膜多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)的影響
2022-08-25  來源：高分子科技

  高分子鏈可通過結(jié)晶形成跨尺度、多層次的有序結(jié)構(gòu)和組裝形貌，對(duì)材料的各項(xiàng)物理化學(xué)性質(zhì)和性能起著決定性作用。通過化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控聚合物的結(jié)晶行為，從而得到具有理想多級(jí)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)性能的高分子材料，一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。聚類肽，一類仿肽高分子材料，由于其可溶解可加工性、良好的生物相容性及抗蛋白酶水解性等特點(diǎn)，在生物醫(yī)用領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。近年來的研究表明，通過在聚甘氨酸主鏈氮原子上引入長烷基側(cè)鏈，可以使聚類肽在特定條件下形成結(jié)晶相或液晶相，從而獲得種類繁多的納米結(jié)構(gòu)和組裝形貌。然而，側(cè)鏈結(jié)構(gòu)如何影響聚類肽的分子排列和多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)，目前仍缺乏系統(tǒng)研究。


  近日，北京科技大學(xué)姜乃生教授、美國路易斯安那州立大學(xué)張東輝教授課題組共同合作，圍繞烷基側(cè)鏈支化對(duì)聚類肽薄膜的熔融重結(jié)晶行為開展研究。通過在硅基底上構(gòu)筑兩種不同類型的聚類肽薄膜，借助掠入射X射線散射（GISAXS/GIWAXD）、原子力顯微鏡（AFM）等多種表征手段，揭示了側(cè)鏈支化對(duì)納米受限條件下聚類肽的分子取向、多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)和熔融重結(jié)晶過程的影響。研究結(jié)果表明：具有線型長烷基側(cè)鏈的聚（N-辛基甘氨酸）（PNOG）板狀分子在重結(jié)晶后通過“edge-on”的方式擇優(yōu)取向，組裝形成近似正交晶系的長程有序晶體結(jié)構(gòu)，在大尺度下形成排列緊密的長蠕蟲狀片晶；而當(dāng)引入支化型烷基側(cè)鏈后，由于存在較大的空間位阻，聚（N-（2-乙基己基）甘氨酸）（PNEHG）分子在重結(jié)晶后排列成六方柱狀液晶相，并進(jìn)一步形成由PNEHG片晶堆積構(gòu)成的麥穗狀高層次組裝體。因此，側(cè)鏈支化對(duì)聚類肽薄膜的多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)和組裝形貌有著顯著的影響。通過與其他含類似側(cè)鏈取代基的聚合物體系進(jìn)行比較，他們推測(cè)側(cè)鏈與主鏈之間的耦合作用是決定側(cè)鏈支化效應(yīng)的關(guān)鍵。上述結(jié)果揭示了聚類肽側(cè)鏈結(jié)構(gòu)、分子排列和多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)之間的科學(xué)聯(lián)系，同時(shí)也表明側(cè)鏈支化可作為一種調(diào)控受限聚合物薄膜結(jié)晶行為的有效方法。

 


圖1（a、b）PNOG薄膜的GIWAXD與AFM結(jié)果。（c、d）PNEHG薄膜的GIWAXD與AFM結(jié)果。



圖2 PNOG與PNEHG薄膜的多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)示意圖


  以上成果以“Multiscale Crystalline Structure of Confined Polypeptoid Films: The Effect of Alkyl Side Chain Branching”為題發(fā)表在《ACS Macro Letters》上。論文的第一作者為北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生王琦。該研究得到國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsmacrolett.2c00271

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