利用病毒制作导热膜----只需室温干燥便可获得

新技术 2018年04月12日

日本东京工业大学的泽田助教与芹泽教授等人组成的研究小组在开发具备高传热效率的材料时,注意到了生物体固有的分层聚合结构。作为无毒丝状病毒“纤维病毒”之一的M13噬菌体注1)是一种在核酸周围有序聚集了蛋白质的大体积高分子集合体,具有细长结构(直径约5nm,长约1μm,图1a)。

M13噬菌体由于其自身的细长结构会有序地聚合,并进行液晶取向注2)。研究小组认为,通过使M13噬菌体高效率聚合,形成一个有序、精密的聚合结构(图1b),应该能高效率地进行传热。

水溶液干燥后,位于边缘的溶于水中的分子,一般会出现分子有效聚集产生咖啡环效应。研究小组把含有M13噬菌体的水溶液在圆形载玻片上干燥,通过病毒构筑液晶薄膜,并测量了该薄膜边缘的热扩散率。结果显示,虽然这是未经过共价结合的有机高分子材料,而且没有特别地实施取向操作,但热扩散率却达到每秒0.63平方毫米,这是一个可以比拟无机材料玻璃的数值(图2)。这个数值约为无取向病毒薄膜的10倍。因此可以说,要想提高传热效率,并不是只要以病毒为材料制作薄膜就可以,重要的是要配合M13噬菌体高效率的液晶取向来制作薄膜。

研究小组以前制作出的病毒定向液晶薄膜,其热扩散率,数值仅提高几十个百分点,说明并不是只要对M13噬菌体进行液晶取向就可以获得所需要的薄膜。

研究小组通过小角X射线散射测量注3)对病毒薄膜的聚合结构进行分析发现,所有薄膜的分子级聚合结构(Packing)都相同,但对较为宏观的结构做进一步观察时发现,只有薄膜的边缘具有极高的取向度(图3)。也就是说,大范围的有序聚合对高效传热至关重要。另外还证明,要想提高有机高分子材料的传热性,比较有效的方法是利用生物高分子表现出来的分层聚合特性。

<参考图>

PHOTO

图1

·(a)纤维病毒M13噬菌体的示意图

·(b)有序聚合的M13噬菌体的俯视图和侧视图

PHOTO

图2:病毒薄膜的热扩散率

PHOTO

图3:通过小角X射线散射测量确定取向度

·(a)各薄膜的二维模式图

·(b)根据对二维模式图的一次峰值进行方位角扫描获得的峰形及其半值宽度计算出的取向度(峰值越高取向度越高)

<用语解说>

注1)M13噬菌体

感染大肠杆菌的病毒之一。不会感染哺乳动物,无毒。具有细长结构,特点是能通过基因操作为其赋予期望的功能。

注2)液晶取向

指像液晶(处于具有固体和液体两种性质的状态的物质)那样,拥有细长结构的分子按相同方向排列。

注3)小角X射线散射测量

在向物质照射X射线后被散射的“散射X射线”中,通过测量散射角较小(大约在10度以下)的X射线,来获得物质纳米级结构信息的方法。

文/客观日本编辑部

相关阅读