新发现：“鱿鱼”生物材料中的热能转换开关

用于获得最佳光学和电学性能的强化材料正变得越来越常见。目前，研究人员和制造商们可通过使用由多个DNA重复序列制成的鱿鱼激活蛋白来优化材料的导热性能。

工程科学与力学教授、宾夕法尼亚州立大学先进纤维技术中心主任Melik Demirel表示：“在现代技术（如制冷、数据存储、电子或纺织品）中控制热传导一直是一个待解决的难题。”比如说多数塑性材料的导热系数都很低，所以它们可作为隔热材料。我们正在研究的以这些鱿鱼为基础的生物材料，在环境湿度下的导电性很低。但它们可通过改造，显著提高其导热性能。

这种情况下，导热性的增加取决于蛋白质中有多少串联重复序列。这会使其导热性比普通塑性材料增加4.5倍。串联重复序列是在自然界中发现的DNA序列，在乌贼的环状牙齿中就发现了该序列。

如图所示为材料先湿后干的热传导示意图
图片来源：Melik Demirel

研究人员说，这种生物蛋白薄膜的一个潜在用途可能是作为织物涂层，尤其是运动服。该材料在日常使用中非常舒适，另外当其实际用于重度活动时，穿着者产生的汗液可以“弹下”热开关并允许织物从穿着者的身体移除热量。

Demirel和他的研究团队已经设计出合成后的蛋白质，这些蛋白质在串联重复序列上会形成图案。他们能选择他们想要的重复次数，并研究各种蛋白质在这种情况下对水分的反应。

研究人员撰写的报告“拓扑网络生物材料中可优化热传导和可逆热导率的转换”发表于杂志《Nature Nanotechnology》，其中描写到：“当环境湿度低于35％时，这些蛋白质薄膜的导热系数不依赖于重复单位或分子量，并表现出与无序聚合物和水不溶性蛋白质相似的导热性。”

然而，当薄膜被设计成具有更高分子拓扑结构时，它们通过高湿度环境、水分或汗水变得更湿润时，导热系数就会上升。在弗吉尼亚大学研究小组和NIST的合作下，研究人员发现随着串联重复次数的增加，薄膜导热系数也会随之增加。

德米雷尔说:“因为湿态下的导热系数与重复次数成线性关系，所以我们可以对材料的导热系数进行编程。因此，我们可以制造出更好的热开关、调节器和二极管。这类似于高性能设备，可以用来解决现代技术问题，比如制冷、数据存储、电子或纺织品等。”

当材料恢复至正常环境湿度或更低时，开关关闭，蛋白质不再有效地传导热量。