物质学院李涛和钟超课题组合作开发一种利用细菌被膜粘合纤维控制MOFs材料在固相界面生长的普适方法

ON2018-06-13CATEGORY科研进展

我校物质学院李涛教授课题组与钟超教授课题组合作,联合开发了一种利用大肠杆菌生物被膜粘性蛋白CsgA来调控MOFs在多种高分子基底上结晶生长的新方法。近日,该研究成果以“Adhesive Bacterial Amyloid Nanofibers-Mediated Growth of Metal-Organic Frameworks on Diverse Polymeric Substrates”为题,在国际知名学术期刊《Chemical Science》上在线发表。李涛课题组2015级本科生张崔政为第一作者,钟超课题组2015级博士生李颖风为共同第一作者,李涛和钟超教授为共同通讯作者,上科大为第一完成单位。

金属有机框架材料(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)是一类极其多样化的多孔材料,在气体存储、气体分离以及催化等许多领域都有着广阔的应用前景。然而对于一些基于MOFs的高附加值产品的开发,例如气体分离膜、可穿戴电子器件等,则通常需要将MOFs生长在各种柔性高分子基底上。而目前尚未有一种普适性的方法能解决这个难题。

自然界中的大肠杆菌生物被膜能够牢固的附着于各种各样的基底材料上从而对细菌起到保护作用。这种超强的黏附能力归功于大肠杆菌所分泌的CsgA蛋白亚基自组装形成的卷曲纤毛纤维(Curli nanofibers,CNFs)。受这一现象的启发,研究团队提出利用提纯的CsgA蛋白作为高分子表面涂层,并利用涂层中CsgA蛋白富含的羧基、氨基、羟基以及吸附的咪唑等极性基团为结晶中心,在多种高分子表面成功生长出致密的MOFs薄膜。

该研究首先利用透射电子显微镜和原子力显微镜研究了一种模型MOF材料,ZIF-8在CNFs涂层上的结晶动力学,发现ZIF-8晶粒在生长初期确实沿着纳米纤维网络生长,这验证了CNFs能够作为有效的MOFs结晶中心促进晶体生长的可行性。其后,研究人员选择了12种亲疏水性不同的高分子基板对比研究了CNFs对ZIF-8结晶生长的帮助,发现有CNFs涂层的高分子基板MOF覆盖率相比未处理的高分子基板均得到了显著的提高。尤其是在疏水且化学惰性的聚偏氟乙烯基板上,ZIF-8的覆盖率提升达到了100倍。研究团队进一步将该方法拓展到塑料管、塑料纤维织物甚至具有复杂形状的三维模型物体上,均取得了非常好的MOFs生长效果。结合图案化可控生长的方法,李涛和钟超课题组成功地利用MOF制作出了具有“ShanghaiTech”字样的图案,证明了该方法的灵活多变性。

此外,针对工业气体分离中最困难的丙烷/丙烯气体分离, 这项研究利用上述方法成功制备了无缺陷的ZIF-8和聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)的超薄复合膜,并实现了丙烷/丙烯的高效分离。相比传统工业中需要极高能耗的冷冻蒸馏法,膜分离的方法能显著降低能耗,为解决这一工业难题提供了新思路。

这项成果利用了生物基材料、多孔材料以及传统化工等多领域知识和技术,充分体现了上科大强调交叉学科建设的重要性以及不同学科之间交流和合作的必要性。值得一提的是,第一作者张崔政目前是上海科技大学物质学院的大三学生,他在上科大强调创新和科教融合的氛围下,很早就进入实验室从事科研活动。这也从侧面体现了上科大鼓励和支持本科生创新并从事前沿科研活动的指导精神。

该研究得到了上科大科研启动基金、中组部“青年千人”、上海“曙光学者计划”、上海“浦江人才计划”、上海市科学技术委员会科研计划项目以及国家自然科学基金面上、青年和联合基金等项目的支持。

论文链接:

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c8sc01591k#!divAbstract

图1.大肠杆菌生物被膜用于控制MOFs材料在固相界面生长的示意图

图2.红色MOF微米颗粒生长在各种形状的高分子材料上