通过表面功能化细菌的生物模板法合成单分散棒状二氧化硅颗粒

Ping, H., Poudel, L., Xie, H., Fang, W., Zou, Z., Zhai, P., Wagermaier, W., Fratzl, P., Wang, W., Wang, H., O'Reilly, P., Ching, WY., Fu, Z.
Nanoscale

Abstract

具有可控尺寸与形貌的介孔二氧化硅颗粒对众多应用具有潜在价值，但其制备工艺复杂限制了实际应用。生物模板法为合成特定形貌材料提供了简易途径。本研究通过基因操作在大肠杆菌表面展示硅亲和素衍生5R5蛋白质，采用仿生设计原理。基因改造后的大肠杆菌作为三维模板调控棒状二氧化硅合成：硅化作用在5R5蛋白功能引导下始于细胞表面，随后逐渐填充内部空间。密度泛函理论（DFT）模拟揭示了原子尺度上二氧化硅前驱体与R5多肽的界面相互作用，发现生物硅化过程中该蛋白发生显著构象变化。带正电残基（Lys4、Arg16、Arg17）与带负电的硅酸乙酯间静电相互作用贡献了高亲和力；Arg16（OH）、Arg17（OH与NH）、Leu19（OH）残基与形成中的二氧化硅聚集体间产生氢键。此外，细菌模板衍生的棒状二氧化硅经碳化后可转变为由碳包覆纳米粒子组成的介孔SiOx纳米棒，该材料展现出优异的锂存储性能。

DOI: 10.1039/d0nr00669f