【研究背景】

有机聚合物基复合材料在现代工业中应用广泛，但生产过程能耗高、排放有害气体，带来环境问题。而天然生物材料能低能耗合成具有优异性能的环保材料，菌丝体复合材料虽有优势但多处于非活性状态，功能受限。因此，研究人员希望通过利用活的真菌活动开发新功能材料。

应用模块：Forcite模块

研究目的：探究菌丝体-PVA复合材料（MPCs）的形成机制、及抗吸水性的分子层面原因。

DOI:10.1002/advs.202309370

【理论研究方法】

分子动力学模拟：构建了菌丝体-木屑复合材料（MCs）和菌丝体-聚乙烯醇（PVA）复合材料（MPCs）的模型，确定了各成分的主要组成及比例，进行了结构优化和动力学计算，还模拟了水环境下的 MPCs 模型及压缩过程。

【研究结果（理论部分）】

图 1 分子动力学模拟结果包括：i)MCs-10%聚乙烯醇的初始模型；j)动态优化后的稳定构象；k)图j中区域1的放大视图；菌丝与聚乙烯醇形成的氢键；l)模拟过程中氢键能量的变化。

1、从模拟结果可见，聚乙烯醇（PVA）分子被吸附并缠结在菌丝表面，且吸附的驱动力主要是氢键的形成。

2、在分子动力学压缩过程中，可观察到 PVA与菌丝之间的氢键被破坏。同时，有PVA包裹的菌丝完好无损，在压缩变形下PVA-菌丝界面没有滑移或分层，这证明了PVA与菌丝之间键合的牢固性。

3、分子动力学模拟还展示了 MPCs 和菌丝体复合材料（MCs）中水分子的氢键情况。MCs 中，水分子易与菌丝和木屑中的多糖形成大量氢键；而 MPCs 中，PVA 分子与菌丝和木屑中的多糖形成氢键，减少了菌丝和木屑与水分子形成氢键的可用位点，导致 MPCs 中水分子的氢键数量少于MCs，这也解释了MPCs低吸水性的原因。

【研究结论和意义】

研究结论：

PVA与菌丝的相互作用机制以氢键为主、压缩过程中的键合表现较牢固，没有分层或者滑移、有抗吸水性，MPCs中PVA与菌丝、木屑中的多糖形成氢键，减少了与水分子形成氢键的位点。

研究意义：

揭示材料性能的微观机理：通过分子模拟，从分子层面解释了 MPCs 优异性能的成因，如氢键驱动的 PVA 与菌丝结合是其高强度和自修复能力的基础，而氢键位点竞争机制则阐明了其低吸水性的原因，为理解材料结构与性能的关系提供了微观视角。

支撑宏观实验结果：模拟结果与宏观实验相互印证，增强了研究结论的可信度，使材料性能的解释更具科学性和说服力。

为材料设计提供指导：明确了氢键等分子间相互作用在材料性能中的关键作用，为后续开发更高性能的复合材料提供了分子层面的设计思路。

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