《CCS Chemistry》化学所贺志远/王健君：冰核蛋白实现生物启发的抗结冰水凝胶

【科研摘要】

冰核蛋白（ INPs）是最有效的冰核剂，在预防耐冻生物体的冻伤中起重要作用。INP促进细胞外空间中的冰成核，由于冰的蒸气压比水低，因此可以从细胞中收集水，从而保护耐冷冻生物免受细胞内冷冻。 中国科学院化学研究所 贺志远副研究员 / 王健君研究员 科研团队 INPs的防冻机理提供了独特的机会，可以通过局部控制冰的形成来抑制大规模冻结，这在防冰材料科学领域具有重要的启示。

通过向自然界学习，将INP的出色的冰核促成能力以及空间控制的冰核化的防冻概念转移到了防冰材料设计上，制造出由图案化水凝胶封装的INP（PHINP）组成的憎冰涂层。 通过图案化的PHINP通过冰核的形成将冰模 式作为模板，从而几乎在所有 PHINP涂层表面上的冰覆盖率都可以控制在<30％以内。将PHINP与太阳热转换表面结合使用可使复合涂层在一天中的任何时候都具有很高的防冰性能。 相关论文以题为Bioinspired Anti-Icing Hydrogel Enabled by Ice-Nucleating Protein发表在《CCS Chemistry》上。

【主图导读】

图 1 | （a）示意图，显示了在INP的帮助下，通过促进细胞外空间中的冰核，耐冻昆虫的抗冻机制。（b）使用可见光投影印刷方法制造昆虫形状的PHINP涂层。（c）在-6°C冻结的水凝结之前的水凝结的光学图像（左行），在冰过饱和度为109％的昆虫形状的PHINP涂层上，在-8°C凝结冻结的固结后的干燥区域（右行）的光学图像。比例尺= 1毫米。

图 2 | （a）示意图显示，PHINP包含两种类型的水，即“自由水”和“结合水”。（b）TGA结果表明，不同交联密度的PHINP平衡水重量比为0.01％至0.6％mol/cm 3 。（c）PHINP膜内具有各种交联密度的自由水和结合水的水质子的T 2 转化谱。用DSC研究PHINP薄膜内部具有各种（d）交联密度和（e）WINP的可冻结水分子。（f）从DSC峰的起始点测量具有不同WINP的PHINP膜内部水的TIN。

图 3 | （a）以2.0°C/min的冷却速率冻结在PHINP涂层和未涂层硅表面上的水滴（1.0μL）的原位偏振光学显微图像。PHINP的交联密度为0.02％mol/cm 3 ，WINP为15×10 -5 。比例尺= 100μm。（b）在PHINP涂层和未涂层的硅表面上发生200次单独冻结事件。（c）用不同的WINP在PHINP涂层表面上的水滴的TH。TH的每个值代表200个冻结事件的平均值。在（d）PHINP涂层和（e）未涂层的硅表面上于-20°C冻结凝结的冰的时间分辨光学图像，冰过饱和度为118％。“ W”和“ I”分别表示为“水”和“冰”。比例尺= 1毫米。

图 4 （a）夜间在ICCAS模式下的PHINP-PPy表面上冻结的空间抑制示意图。b）开启和关闭qi = 22、33、45、60和67 mW/cm 2 的太阳光照下PHINP-PPy和硅表面的温度变化图。插图是ICCAS模式的PHINP-PPy表面在q i =10 mW/cm 2 的太阳光照下300 s的红外（IR）图像。（c）在一次阳光照射下冰覆盖率为80％的PHINP-PPy表面的数值模拟温度变化曲线。环境温度为-20°C。（c）的插图是通过仿真 得出的 PHINP-PPy温度分布的侧视图。（d）在-15°C时PHINP-PPy和PPy表面结霜的时间分辨图像，冰过饱和度为142％，没有太阳光（图像左行），并且在q i =70 mW/cm 2 的太阳光照下。（e）在-15°C的PHINP-PPy和PPy表面上覆冰，通过多次打开和关闭灯，可获得158％的冰过饱和度。（f）PHINP-PPy表面长时间的防冰性能。

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参考文献 ： doi.org/10.31635/ccschem.021.202000648

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