玻璃是一種可持續材料嗎？

其原材料是豐富的自然資源，如石灰石（氧化鈣）、純鹼（碳酸鈉）和石英砂（二氧化矽）；可以無限次回收、100% 利用；與石油的產物之塑料相比，其生產過程和廢棄後對環境的影響也小得多。

但龐大的需求導致了無法忽視的環境問題：采砂摧毀了魚類、鳥類和海豹生存的沙洲；沙子疏浚導致海灘萎縮，甚至導致橋樑倒塌；窯爐大量耗費能源、排放溫室氣體；由於重量的不同，玻璃的運輸也比塑料更耗能；實際中，真正被回收的玻璃又有多少呢......而玻璃在自然界的分解，需要上百萬年。

冰冷、堅硬，必需的高溫製備過程，玻璃的特性也許令人難以將其和生物材料聯繫在一起。然而，近日，中國科學院過程工程研究所研究員閆學海課題組在 Science Advances 發表的「Biomolecular glass with amino acid and peptide nanoarchitectonics」一文，報導了利用胺基酸和肽，也可製成可生物降解的玻璃。

胺基酸和肽是生物體中豐富的生物分子，已廣泛用於開發具有功能性的納米結構材料。這種環保材料可在生態系統中循環。但其性質卻與玻璃相差甚遠。

玻璃是一種非晶態固體，通過在高於其熔化溫度（Tm）的高溫下加熱，然後快速冷卻（淬火）形成，因為足夠快的冷卻可以防止晶體形成。然而，天然胺基酸和肽的熱穩定性較差，在接近 Tm 的高溫下容易分解成胺和二氧化碳。因此，玻璃不能直接通過這些天然生物分子製成。

之前的研究表明，胺基酸和肽在末端被疏水基團化學修飾時，可以顯著提高其熱穩定性。受此啟發，研究人員開始對胺基酸和肽進行改性。

為了避免分子分解，研究人員使用了 Ac-、Fmoc-和 Cbz-基團對一系列胺基酸和肽進行了化學修飾。加熱後，隨機選擇的天然胺基酸，包括穀氨醯胺（Q）、組氨酸（H）、苯丙氨酸（F）和酪氨酸（Y），發現重量損失大於 15%，而纈氨酸（V）和亮氨酸（L）完全分解，在溫度為 Tm 時損失大於90%。

結果表明，這些改性分子的 Tm 值遠低於分解溫度。生物分子化合物在分解前的成功熔化無疑是生物分子玻璃製備的一個突破。

接下來，通過在惰性氣體中以 10 K/min 的加熱和冷卻速率執行程序加熱和淬火程序，這些被修飾的胺基酸和肽成功形成了生物分子玻璃。隨後評估了生物分子玻璃的玻璃形成能力（GFA）和性能，包括與玻璃化轉變相關的動力學和熱力學參數。

在紫外（UV）光到可見光（200 至 800nm）和近紅外（NIR）（800 至 3000nm）區域的透射光譜表明，這些玻璃表現出良好的光學性能（大約 90% 的透射率），優於普通商業照明應用中使用的玻璃（平均 80%）。與碳量子點（CQD）和染料結合，生物分子還能夠形成一系列螢光的有色玻璃。

▲圖 | 玻璃在紫外-可見光區域（左）和近紅外區域（右）的透射光譜（來源：[1]）

▲圖 | 在波長為 365nm 的紫外光激發下，玻璃會發出不同的螢光（來源：[1]）

該生物分子玻璃還具有良好的機械性能和靈活的加工性。研究人員用商用生物 3D 印表機列印了「CAS」，使用特定的模具獲得了一系列形狀的玻璃。

（來源：[1]）

為了確定生物分子玻璃是否環保，研究人員進行了體外和體內生物降解實驗以及堆肥實驗。以上結果都表明這種玻璃不僅具有生物可降解性，還在小鼠體內表現出優異的生物相容性和生物安全性。

參考連結：

1.https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8105

文章來源：作者薌靈， 生輝Agri Tech