Durch Denise Brehm
Zivil- u. Klimatechnik
CAMBRIDGE, Mass. - Forscher in der Zivil- und Klimatechnik an MIT decken auf, dass die Stärke eines biologischen Materials wie Spinnenseide in der spezifischen geometrischen Konfiguration der strukturellen Proteine liegt, die kleine Blöcke der schwachen Wasserstoffbindungen haben, die kooperativ arbeiten, um Kraft zu widerstehen und Energie zu zerstreuen.
Diese Struktur bildet das leichte natürliche Material so stark wie Stahl, obwohl der „Kleber“ der Wasserstoffbindungen, die Spinne halten, die, Seide zusammen auf dem molekularen Niveau 100 bis 1.000mal schwächer ist, als der leistungsfähige Kleber der metallischen Bindungen des Stahls oder sogar Kevlar der kovalenten Bindungen.
Gegründet auf dem theoretischem Modellieren und großräumiger atomistischer Simulation eingeführt auf Supercomputern, könnte dieses neue Verständnis genau, wie die Konfiguration eines Proteins erhöht, einer Materialfestigkeit Ingenieuren helfen, neue Materialien zu verursachen, die leichte Robustheit der mimischen Spinnenseide. Es könnte Forschung auf den Muskelgewebe- und -amyloidfasern auch auswirken, die im Gehirngewebe gefunden wurden. |
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„Unsere Hoffnung ist die, indem sie die Mechaniker der Materialien auf dem atomistischen Niveau versteht, wir, in der Lage ist zu einem Tag verursachen eine Führungsprinzip, die die Synthese der neuen Materialien verweist,“ sagte Professor Markus Buehler, Bleiforscher auf der Arbeit.
In einem Papier veröffentlichte in der 13. Februaron-line-Ausgabe der Nano Buchstaben, beschreiben Buehler und Student im Aufbaustudium Sinan Keten, wie sie das atomistisches Modellieren verwendeten, zum zu zeigen, dass die Blöcke von drei oder vier Wasserstoffbindungen, die zusammen Stapel der kurzen Betastränge in einem strukturellen Protein binden, gleichzeitig eher als der Reihe nach brechen, wenn sie unter mechanischen Druck gesetzt werden. Dieses lässt das Protein mehr Kraft als widerstehen, wenn seine Betastränge nur ein oder zwei Bindungen hatten. Ungewöhnlich genug, widerstehen die kleinen Blöcke auch mehr Energie als länger Betastränge mit vielen Wasserstoffbindungen.
„Die Anwendung von nur ein oder zwei Wasserstoffbindungen, wenn sie ein Protein errichtet, liefert Nr., oder sehr wenig mechanischer Widerstand, weil die Bindungen sehr schwach sind und fast ohne Provokation brechen,“ sagte Buehler, die Esther und Assistenzprofessor Harold-E. Edgerton in der Abteilung der Zivil- und Klimatechnik. „Aber die Anwendung drei oder vier verpfändet führt zu einen Widerstand, der wirklich den vieler Metalle übersteigt. Unter Verwendung mehr als vier Bindungen führt zu einen viel-verringerten Widerstand. Die Stärke wird maximiert bei drei oder vier Bindungen.“
Nachdem Sie den simultanen Abbruch von diesen beobachtet haben, Blöcke innerhalb der Proteine in ihren atomistischen Simulationen, Buehler Wasserstoff-verpfänden und Keten wollte, warum die Bindungen kleine Blöcke einlaufen, sogar in den langen Strängen mit vielen Wasserstoffbindungen wissen. Sie verwendeten die Gesetze von Thermodynamik, um dieses Phänomen zu erklären. Das Papier in den Nano Buchstaben beschreibt, wie die externe Kraft die entropic Energie im System ändert und führt zu den Abbruch der Wasserstoffbindungen. Indem sie die Energie berechneten, die notwendig ist, den Ausbreitenprozeß in einem Proteinmolekül einzuleiten, zeigten sie die, die mehr Wasserstoffbindungen in den längeren Strängen hinzufügt, würden erhöhen nicht die Materialfestigkeit.
„Sie würden einfach diese Langkette der Betastränge mit faulen Bindungen, die nicht zur Stärke der Versammlung beitragen,“ sagten Keten haben. „Aber ein Material, das viele kurzen Betastränge einsetzt, die durch drei oder vier Wasserstoffbindungen gefaltet werden und angeschlossen sind, kann die Stärke aufweisen, die grösser als Stahl ist. In den Metallen würde die Energie direkt in den viel stärkeren Bindungen gespeichert, genannt metallische Bindungen, bis Bindungen eins nach dem anderen brechen. In den Proteinen liegen Sachen schwierigeres an der entropic Elastizität von Nudel-wie Ketten und der kooperativen Art der Wasserstoffbindungen.“
Strukturelle Proteine enthalten ein Schwergewicht Beta-blätter, Abschnitte, die sich falten, sodass sie ein bisschen wie altmodische Bandsüßigkeit aussehen; kurze Wellen oder Stränge scheinen, auf gegenseitig, jedes gestapelt zu werden gerade die rechte Länge, um drei oder vier Wasserstoffbindungen sie an den Abschnitt oben und unten anschließen zu lassen.
Betablätter mit den kurzen Stranglängen, die durch drei oder vier Wasserstoffbindungen angeschlossen werden, sind die allgemeinste Anpassung unter allen Beta-strukturierten Proteinen, einschließlich die, die Muskelgewebe, entsprechend experimentellen proteomics Daten bezüglich der Proteinstrukturen in der Protein-Datenbank enthalten.
Diese Wechselbeziehung einer allgemeinen geometrischen Konfiguration unter Beta, Blatt-die eins des überwiegendsten Proteins zwei sind, strukturiert Bestehen-vorschlägt innen, dass die Stärke eines Proteins eine wichtige treibende Evolutionskraft hinter seinem körperlichen Entwurf ist. Die Forscher beobachteten das gleiche Verhalten in den ähnlichen kleinen Blöcken in den Alpha-schraubenartigen strukturellen Proteinen, das andere überwiegendste Protein, aber haben nicht noch jene Versammlungen im Detail studiert.
Einerseits haben synthetische Materialien wie Stahl eine sehr andere und kristallene Struktur, die durch den stärkeren Kleber der metallischen Bindungen zusammengehalten wird. Weil Stahl und andere synthetische Materialien neigen, dicht zu sein, und folglich schwer, verbrauchen sie viel Energie in der Herstellung und im Transport.
„Metalle werden mit Bindungen, die viel stärker sind und eine viel grössere Kraft erfordern zu brechen,“ sagten Buehler zusammengebaut. „Jedoch, ist das kristallene Gitter der Struktur eines Metalls nie vollkommen; es enthält Defekte, die effektiv die Materialfestigkeit ziemlich drastisch verringern. Wenn Sie eine Last auf das Metall setzen, kann der Defekt ausfallen und einen Sprung vielleicht veranlassen fortzupflanzen. In den Betablättern des Proteins hilft die begrenzte Beschaffenheit der Wasserstoffbondblöcke, die Energie zu zerstreuen, ohne die Stärke des Materials zu kompromittieren. Dieses zeigt den erstaunlichen Scharfsinn und die Leistungsfähigkeit der natürlichen Materialien.“
Diese Forschung wurde durch ein MIT-graduiertes präsidentialstipendium, das Armee-Forschungs-Büro, einen National Science Foundation KARRIERE Preis, die Solomon Buchsbaum AT&T Forschungs-Kapital und eine Bewilligung von der Diego-Supercomputer-Mitte gestützt (SDSC).
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