水分子有奇用！助力形成捕光纤维

材料人注：近日，美国阿贡实验室的一项研究发现，水分子可以帮助形成捕捉光照的生物纤维，这是前所未有的，此项研究对太阳能电池有机组分的改进起到了关键作用。

当遇到水时，一些材料会和水分离，这些材料中的一部分可以掌握利用太阳能的新方法。有机高分子部分是疏水的，部分是亲水的。由于有机高分子具有这两种对立的性质，微粒一般会将自己变为球体，使亲水部分发挥作用，而让疏水部分藏在里面。

美国能源部(DOE's)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的一项最新研究表明，水可以使胶束自发合并成长纤维，这是以前从未发现的。

在这项由阿贡纳米材料中心(Argonne's Center for Nanoscale Materials)的纳米科学家Subramanian Sankaranarayanan和化学家Christopher Fry主导的研究中，超级计算机模拟和实验室的实验都表明了水可以作为胶束纤维生长的无形助剂。

这项研究可以帮助科学家们理解当光捕捉分子聚集时，它们是如何合并成为胶束纤维的，这也将是理解一些人工光合作用原理的关键一步。

Sankaranarayanan说：“到目前为止，尽力去理解光捕捉分子在哪里合成，就好像是要理解方钉是如何装在圆孔上的。通过观察胶束纤维自发聚集的方式，我们可以充分理解这些光捕捉系统是如何形成的。”

尽管胶束可以由各种不同类型的有机分子组成，但是阿贡实验室的研究特别关注那些由氨基酸链组成的胶束。当胶束形成时，胶束周围的水变的“超级有序”，这表明这些水分子是按照相同的方式排列的。这些强力有序导致了折叠的形成，折叠是沿着胶束纤维生长的平面蛋白质区域。

在这项研究实验部分中，阿贡实验室的化学家Christopher Fry使用Sankaranarayanan的计算结果来检测一组特定的锌卟啉光捕捉分子是如何合并成为纤维的。

Fry说：“结果表明计算机模拟报告了我专注于实验室的部分，我可以调查一些水对自发聚集过程的影响和一些我们之前在实验室没有关注到的地方。”

Sankaranarayanan补充道：“胶束周围的水可以使结构稳定，这使得折叠为生长提供了平台，水变得越有序，纤维就越稳定。”

为了有效的模拟胶束和纤维的生长，Sankaranarayanan和阿贡计算设备(ALCF)的同事，用两种方法在阿贡的10千万亿次超级计算机Mira上进行了建模。他们进行了粗粒度的模拟，表明在相对长时间下会出现更普遍的动力学，除此之外，他们还进行了原子模拟，展示了处于短暂延伸的水分子的运动。

Sankaranarayanan说：“为了真正理解胶束纤维如何形成的，我们需要这两种观点，并且能在它们之间快速转换。”

根据Fry所说，此项研究的下一步将会使用一种模板来聚集这种纤维，同时光捕捉分子以他们自然嵌入纤维基体中的方式存在。如果成功的话，这项进展将会成为一些太阳能电池有机组分改进的基础。Fry说：“问题是，我们能不能制造一种可以形成更有效太阳能电池部分的材料呢，现在所有能做的也就是用缩氨酸来调整效率。”

原文链接：Water helps assembly of biofibers that could capture sunlight。

本文由材料人编辑部杨超提供素材，樊超编译，点我加入编辑部。