推动科学和工程创造新的软材料

新的NSF赠款授予Duke University和华盛顿大学的工程师团队，允许他们进一步探索新的自组装材料，可以使用机器学习方法设计。然后可以使用数值模拟并测试这些生物聚合物的设计。（信用：Pappu Lab）

工程新材料具有巨大的改进和推进全球社区的潜力。通过设计具有全套能力和性质的聚合物材料，可以实现医学，防御和清洁能量的突破。

为了推动这一新兴领域，国家科学基金会（NSF）设立了一个称为设计材料的倡议，以彻底改变和工程师我们的未来（DMREF）。8月，DMREF授予四年，140万美元的授予，该团队包括来自圣路易斯大学和华盛顿大学工程学院的研究人员。主动颁奖典礼对材料进步的最前沿授予研究人员，使他们能够推动科学，延长他们的想象力，以简化新的软材料的开发，并预测和调整其现有和新应用的性质。

研究人员Ashutosh Chilkoti.，生物医学工程系的Alan L. Kaganov教授和生物医学工程系和项目的主要调查员，以及Stefan Zauscher.，Sternberg家族教授机械工程和材料科学教授，包括Duke团队，并将与之合作罗希特帕普，华盛顿大学工程与应用科学学院工程师Edwin H. Murty教授。

“你可以想象制作粘合剂，也可以具有钢的强度，”Pappu说。“或许会像牙膏一样流动的东西，但也有可能用作微型生物反应器。我们可以使用新材料进行药物递送，毒品储存，人工组织和其他我们没有想到的应用。“

“大自然为新材料设计提供了巨大的设计空间，但大多数过去的努力，包括我们的努力，只需使用非常狭窄的参数范围来创造生物悬浮的 - 基于蛋白质的材料，”Chilkoti说。“该项目将通过组合Pappu教授在华盛顿大学教授在Duke University的高通量合成和表征中组合华盛顿大学的快速计算机筛选技术来涵盖大自然的序列空间的大型地形。鉴定具有新的或改进功能的肽聚合物。”

Zauscher和Chilkoti已经努力开发将这些多肽组装成分级结构材料的方法。

“这些材料可以用作模板以引导纳米级目录的自组装，从而实现广泛的生物催化，生物电解/光子或测定装置，”Zauscher表示。

下一步：科学家必须能够在需要操纵的本质上提供的20个氨基酸的巨大序列空间内的精确氨基酸序列中来零，这是为了产生具有前所未有的物理性质的材料。它是一个组合数学和物理科学的过程，并且具有无限数量的探索序列，将“针在干草堆中的针头”的概念探索到极端程度。这就是Pappu和他的团队进来的地方。

“即使有了所有的高吞吐量技术，设计空间也是巨大的，”Pappu说。“我们需要的是将为合理设计策略铺平道路的原则，从而通过计算设计规定所需的材料属性并通过可能实现感兴趣的性质的计算设计来到一组序列。这需要了解序列与设计标准之间的连接，尽管这种理解不一定是完美的。它需要足够好，以通过天文学上的大序列空间来指导搜索过程。“

基于物理的蛋白质序列相变计算机模拟，结合帕普实验室开发的数学模型，将有助于设计过程。Pappu和他的团队计划将不同嵌段共聚物氨基酸序列的序列编码物理特性与测量的材料特性之间的关系的知识，以及杜克大学研究人员挑选的先前数据结合起来。然后，他们打算设计算法，使材料的定制设计具有所需的特征，如对外界刺激的响应，特定的流动和机械性能，以及作为生化反应的支架的能力。

“通过我们的研究合作，我们将收敛于广义模拟和实验工具包，其能够使用热响应多肽的蛋白质材料纳米结构的高效设计和制造，”Zauscher表示。

Pappu及其团队希望与材料科学和工程领导人合作实现慈会和Zauscher合作的进展，应该能够扩大超出当前支架的材料设计，这是基于弹性蛋白样多肽的。

“我们开发的算法是基于物理的方法的混合，其跨越多个尺度和数据驱动的方法，该方法能够实现序列空间，构象空间和材料形态的空间的联合导航，以实现指定的设计标准”Pappu说。“与Chilkoti和Zauscher这样的专家合作的机会非常令人兴奋，我们希望能够实现一些成功，以实现扩大基于蛋白质的聚合物材料的设计空间的NSF的目标。