Control of natural protein-assembly toward thermally conductive materials

控制导热材料的天然蛋白质组装

基本信息

批准号：
21K05182
负责人：
澤田敏樹
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

様々な電気・電子機器やデバイスにとって、許容限度温度以上への上昇を抑える放熱は近年益々重要な技術課題となっている。本研究では、熱界面材料としての有機系高分子に着目し、天然由来のタンパク質を素材とした集合体の熱伝導性を評価し、その高熱伝導化を図るとともにその機構を理解することを目指した。シルクタンパク質に着目し、様々な由来のカイコの繭糸の熱拡散率を温度波熱分析法により評価した。その結果、由来によって熱拡散率の値は異なっており、タンパク質のアミノ酸配列や二次構造といった違いが熱伝導性に確かに寄与することがわかった。さらに、シルクフィブロインを抽出して溶解させ、様々な条件下で集合化させてフィルム調製した。フィルムを延伸配向させるため有機溶媒に浸漬させた結果フィルムはやや膨潤する様子が観察され、赤外吸収スペクトル測定から二次構造が変化しており、βシート構造リッチになることがわかった。また、浸漬させたフィルムを10％から30％まで延伸した結果、二次構造に大きな変化は見られないまま延伸されることがわかった。それらの熱拡散率を測定した結果、調製直後のフィルムの厚さ方向の熱拡散率は5×10-8 m2 s-1程度であったが、有機溶媒への浸漬によってその値は3倍近く上昇した。その一方で延伸させた際には、延伸に応じて熱拡散率は低下し、30％延伸させた際にはオリジナルのフィルムと同定度であった。これは、延伸によってタンパク質は確かに配向するものの、厚さ方向の分子間相互作用がより弱くなったためと考えられる。またリゾチーム結晶を調製し、様々な結晶形をもつ結晶の熱拡散率を測定した。ここでは、マイクロ温度波熱分析法を利用して測定しており、タンパク質結晶の熱拡散率は結晶形や測定方向によって異なる可能性を見いだした。

近年来，防止温度升高超过允许极限的散热已成为各种电气和电子设备和装置日益重要的技术问题。在这项研究中，我们重点关注有机聚合物作为热界面材料，评估由天然蛋白质制成的聚集体的导热率，旨在提高其导热率并了解其机理。以丝蛋白为重点，我们利用温度波热分析评估了不同来源的蚕茧丝的热扩散率。结果表明，热扩散率的值根据来源的不同而不同，并且蛋白质的氨基酸序列和二级结构的差异肯定会影响热导率。此外，在各种条件下提取、溶解和聚集丝素蛋白以制备膜。将薄膜浸入有机溶剂中进行拉伸取向，结果观察到薄膜轻微溶胀，红外吸收光谱显示二级结构发生变化，富含β-折叠结构。此外，当将浸没的薄膜从10%拉伸至30%时，发现薄膜可以在二级结构没有发生任何重大变化的情况下进行拉伸。测定热扩散率的结果是，刚制作后的膜的厚度方向的热扩散率约为5×10-8m2·s-1，但在浸渍于有机溶剂中时，该值增加了近3倍。。另一方面，拉伸时，热扩散率随着薄膜的拉伸而降低，拉伸30%时，与原始薄膜相同。这被认为是因为，尽管蛋白质确实通过拉伸而取向，但厚度方向上的分子间相互作用变弱。我们还制备了溶菌酶晶体并测量了各种晶型晶体的热扩散率。在这里，我们使用微温波热分析方法测量蛋白质晶体的热扩散率，发现蛋白质晶体的热扩散率可能因晶体形状和测量方向而异。