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半导体晶体:分子团队合作成就有机梦想

导读 导致大肠杆菌感染的病毒有一个秘密武器:团队合作。病毒总是为了生存而拼命,它降落在一个不起眼的宿主细胞上,并用管状尾巴的业务端抓住表

导致大肠杆菌感染的病毒有一个秘密武器:团队合作。

病毒总是为了生存而拼命,它降落在一个不起眼的宿主细胞上,并用管状尾巴的业务端抓住表面。然后,尾部的蛋白质齐齐收缩,像踩踏弹簧一样使其结构变平,并将病毒的身体卷入临界打击。

由于蛋白质的团队合作,尾巴可以轻松弯曲和压平。这个过程称为分子协同性,通常在自然界中观察到,但在非生命系统中很少见。

贝克曼先进科学技术研究所的研究人员发现了一种在有机半导体中触发这种合作行为的方法。节能和省时的现象可能有助于提高智能手表、太阳能电池和其他有机电子产品的性能。

他们的工作被接受发表在Nature Communications上。

“我们的研究通过释放病毒等自然生物用来适应和生存的相同动态特性,使半导体栩栩如生,”贝克曼研究所研究员,该研究的合著者Ying Diao说。

病毒可能已经掌握了分子协同性,但晶体却不能这样说:按对称性分类的非生命分子结构。虽然在美学上令人愉悦,但构成晶体结构的分子具有类似女主角的性格,很少一起工作。相反,他们通过一次一个分子地进行结构转变来测试研究人员的耐心——这一过程以从碳中生长的钻石而闻名,这需要炽热、强大的压力和数千年的深埋地球。

“想象一下,一砖一瓦地拆除一个精心制作的多米诺骨牌展示。这是令人筋疲力尽和费力的,一旦你完成,你很可能没有精力再试一次,“该研究的主要作者,贝克曼研究所的研究员丹尼尔戴维斯说。

相比之下,当分子同步改变其结构时,就会发生合作转变,就像一排多米诺骨牌无缝地流向地板。这种协作方法快速、节能且易于逆转——这就是为什么导致大肠杆菌感染的病毒可以不知疲倦地收缩其富含蛋白质的尾巴而几乎没有能量损失的原因。

长期以来,研究人员一直在努力在非生命系统中复制这种合作过程,以获得其节省时间和能源的好处。Diao和Davies对这个问题特别感兴趣,他们想知道分子团队合作如何影响电子行业。

“分子协同性有助于生命系统快速有效地运行,”戴维斯说。“我们想,'如果电子设备中的分子一起工作,这些设备能显示出同样的好处吗?'”

Diao和Davies研究有机电子设备,这些器件依赖于由氢和碳等分子制成的半导体,而不是硅等无机器件,硅是当今市场上无处不在的笔记本电脑,台式机和智能设备中的一种成分。

“由于有机电子产品是由与生物相同的基本元素制成的,就像人一样,它们为应用解锁了许多新的可能性,”Diao说,他也是伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校化学和生物工程副教授。“在未来,有机电子产品可能能够附着在我们的大脑上以增强认知能力,或者像创可贴一样佩戴,将我们的体温转化为电能。

刁亦男研究太阳能电池的设计:薄如晶莹的窗户紧贴着吸收阳光转化为电能。戴维斯说,可以弯曲而不会断裂并勾勒出人体皮肤轮廓的有机半导体同样是“有机电子设备未来的重要组成部分”。

这确实是一个光明的未来,但设计这样的动态有机电子产品的重要一步是塑造动态有机半导体。要做到这一点,半导体分子必须合作。

多米诺骨牌启发了研究人员在半导体晶体中触发分子团队合作的方法。他们发现,重新排列从分子核心卷出的氢和碳原子簇 - 也称为烷基链 - 导致分子核心本身倾斜,引发晶体宽的崩溃链,研究人员称之为“雪崩”。

“就像多米诺骨牌一样,分子不会从固定的地方移动。只有他们的倾斜度会改变,“戴维斯说。

但是,倾斜一串分子既不像拿起多米诺骨牌并将其旋转90度那么容易,也不像触觉那么容易。在比塑料游戏片小得多的规模上,研究人员逐渐将热量施加到分子的烷基链上;温度升高引起了多米诺骨牌般的效应。

利用热量重新排列分子的烷基链也会导致晶体本身收缩 - 就像大肠杆菌感染之前的病毒尾巴一样。在电子设备中,此属性转化为一个简单的温度感应开关。

这一发现的应用尚未完全实现;目前,研究人员对第一步感到兴奋。

“最令人兴奋的部分是能够观察到这些分子如何变化以及它们的结构如何在这些转变中演变,”戴维斯说。

通过国际规模的团队合作,释放分子合作的潜力是可能的,来自普渡大学、中国科学院和阿贡国家实验室的研究人员做出了贡献。拉曼光谱在贝克曼研究所显微镜套件中进行。