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Ion Valency as a Molecular Switch for Salt‐Resistant Underwater Adhesion

粘附 材料科学 离子 分子动力学 化学物理 离子键合 价 纳米技术 肽 阳离子聚合 生物物理学 化学 计算化学 高分子化学 复合材料 有机化学 生物化学 语言学 哲学 生物
作者
Chang‐Sheng Wang,Jiaxing Zhang,Hu Zhang,Wojciech Raj,Nahid Hassanpour,Duy Anh Phạm,Hui Guo,Xingxun Liu,Heng Chang,Alexandre A. Arnold,Isabelle Marcotte,Rongxin Su,Wei Qi,Xavier Banquy
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (42): e08666-e08666
标识
DOI:10.1002/adma.202508666
摘要

Achieving underwater adhesion remains challenging due to the disruption of interfacial interactions by hydration layers and the ionic environment. This study shows how high adhesion in a saline environment can be achieved in adhesive peptide systems relying on π-π and cation-π interactions using multivalent ions. Monovalent ions (K+) disrupt native peptide-peptide interactions, drastically reducing adhesion strength. Conversely, multivalent ions (Mg2+ and Y3+) enable robust interfacial adhesion by forming stable π-cation-π networks, effectively compensating for disrupted native pairings. The adhesion enhancement by Y3+ is particularly pronounced, highlighting its unique capability for multidentate bridging. Molecular dynamics simulations and quantum mechanical analyses confirm that Y3+ ions stabilize extended interfacial interactions, enabling stronger stress dissipation during tensile deformation. Additionally, NMR spectroscopy supports these observations by demonstrating significant cation-dependent perturbations of aromatic (Phe) and cationic (Lys) peptide residues. A thermodynamic model further elucidates the competitive binding dynamics underpinning adhesion modulation and capturing all experimental trends. This work provides detailed molecular insights into ion valency effects on cation-π mediated underwater adhesion, guiding the development of bio-inspired materials with tailored ionic responsiveness suitable for biomedical and technological applications in saline environments.
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