聚多巴胺一维纳米材料的结构调控与光电性质研究

Melanin is a kind of important bio-photoelectric materials. However, the hierarchical structure and properties of melanin is less understood due to its structural heterogeneity and the difficulties in separation and purification. Recently polydopamine has been successfully generated through oxidation and self-polymerization of dopamine. Polydopamine shows promising applications in bio-compatible photoelectric materials because of its similarity to natural melanin. But the fabrication of one-dimensional polydopamine nanomaterials is major obstacle that hinders the development of these researches. In previous studies, we have identified that folic acid can modulate the nanostructure of polydopamine , resulting in one-dimensional polydopamine nanofibers. On the other hand, one-dimensional polydopamine nanotubes with controllable lengths have been successfully fabricated. These fabrications provide a solid foundation for our further studies of the multilevel structures and photoelectric properties of one-dimensional polydopamine nanomaterials. In this project, we will systematically investigate fabrication methods, hierarchical structures and photoelectric properties of one-dimensional polydopamine nanomaterials. We hope to reveal the fundamental relationship between structures and properties of polydopamine nanomaterials, understand their modulation strategies, and explore the unique applications in bio-photoelectrical materials.

黑色素是一种重要的生物光电材料，由于黑色素自身结构的复杂性以及分离的困难，人们缺乏对黑色素基本结构和性能的系统认识。多巴胺可通过氧化聚合形成聚多巴胺，该产物在基本结构和物理化学性质方面均类似黑色素，其独特的生物光电性质尤其引人注目。理论预测一维聚多巴胺纳米材料将会展现特殊的性质，但缺乏有效的合成手段一直制约着这方面研究的开展。申请人在前期研究工作中首次发现叶酸分子能够调控聚多巴胺的合成，成功制备了聚多巴胺纳米纤维，并且实现了长度可控的一维聚多巴胺纳米管的合成。这为研究一维聚多巴胺纳米材料的结构和性能奠定了坚实的基础。本课题拟对聚多巴胺纳米材料的制备方法、多层次结构和光电性质进行系统的研究，重点剖析一维聚多巴胺纳米材料的多层次结构和光电性质之间的内在关联和调控机制，掌握调节一维聚多巴胺纳米材料光电性能的基本策略，探索一维聚多巴胺纳米材料在生物光电材料方面的独特应用。

聚多巴胺是一种类黑色素物质，具有与黑色素相似的物理化学性质，是深入探索黑色素复杂生理功能的重要模型物质。基于前期所掌握的调控一维聚多巴胺纳米材料的制备方法，在本课题中，申请人详细摸索了不同金属离子、不同界面环境对聚多巴胺纳米结构性质的影响，发现了不同纳米结构的聚多巴胺纳米材料具有不同的光致自由基产生效率。一维聚多巴胺纳米管/金属复合物转化而成的多孔碳材料可形成高效的Fe-N-C电催化位点，并可以进一步形成多元素掺杂的具有多级孔结构的高效电催化剂；相比而言，一维的埃洛石具有更好的机械强度。为利用这种天然生物相容性纳米材料，我们研究了在埃洛石纳米管表面和管内腔负载复杂金属颗粒的方法，它可成为高效的表面增强拉曼的基底材料，用于生物分子的分析检测。这些均为后续构筑生物体内传感器打下了实验基础。并且，为解决生物器件低机械强度、低粘附力、易溶胀的问题，我们发展了以单宁酸为交联点构筑氢键网络凝胶的制备方法，所获得的双交联凝胶具有高强度、抗溶胀、高粘附力的特点，成为理想的生物医用电极支撑材料。本课题的研究结果加深了我们对聚多巴胺多层次分子结构与其性能关系的理解，为利用其独特的光电性能发展新型生物光电器件打下了重要基础。