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材料学院姜源副教授合作研究成果发表于Nature Communications
发布时间: 2017-11-10
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    119,厦门大学材料学院姜源副教授,与浙江大学唐睿康教授课题组、德国Konstanz大学Helmut Cölfen教授课题组合作,在国际学术期刊Nature Communications上发表了题为Total Morphosynthesis of Biomimetic Prismatic-Type CaCO3 Thin Films的研究论文,首次利用全合成手段获得了仿贝类棱柱层结构的碳酸钙薄膜,并实现了仿生薄膜微结构的精准调控,由此获得了优异的力学性能。

  与天然或合成矿物相比较,生物矿物往往展现出优异的力学及其它性能。比如,贝壳珍珠层中的多层有序微结构具有优异的断裂韧性,而天然矿物中与之相对应的碳酸钙文石矿物则具有结构脆性。其原因在于,生物矿物具有特定形态的多级有序微纳结构,此类微纳结构同时又具备宏观尺度上的结构一致性。多级有序矿物结构的获得,依赖于多种生物质大分子在生物矿化过程中的协同作用。明晰这种协同作用,可以更好地指导材料化学家对复合材料进行可控制备,以获得优异的力学及其它性能。但生物矿化难以进行原位观测,而静态的生物矿物微结构分析提供的信息又相对有限。因此,可控仿生矿化仍然是材料合成领域的一大难题。迄今为止,仿生矿化研究大多基于经验性认识,基于可控路线设计进行的仿生矿化研究屈指可数。

  本研究团队基于生物矿物的空间结构异质性,并参考了传统晶态薄膜材料合成中的液相外延方法,首次设计出了多步仿生矿化路线,在常温液相条件下成功地构筑了利用聚电解质稳定的矿物种子层,并在此基础上利用外延矿化方法构筑了碳酸钙的棱柱层结构。该工作突出了种子层在获得大面积有序棱柱层薄膜中的关键作用,并利用多种实验手段及理论模拟证实了棱柱层薄膜生长过程中竞争生长机制所发挥的关键作用。值得一提的是,这是竞争生长机制首次被应用于仿生矿化路线设计,而之前的相关研究一般基于高分子基底的模板效应。本研究制备的棱柱层薄膜不但与相对应的生物矿物在微结构上具有高度的相似性,同时还具有类似的硬度和杨氏模量(图a-c)。该研究还通过在外延生长中加入生物大分子(丝素蛋白),在棱柱层结构中成功诱导了有序微纳结构的出现,使得仿生薄膜具有了水下超疏油性能。文中提出的基于种子层外延生长的多步矿化路线是获得棱柱层仿生结构的普适方法,也加深了人们对于生物矿化机制的认识。

  从机理角度看,仿生棱柱层薄膜的合成与利用气相合成手段获得柱状薄膜的路线有多个共通之处。但是仿生矿化要在常温水相的反应环境中实现对具有特定微纳结构的薄膜材料的精准合成,离不开多种软物质在从分子到宏观多个尺度范围内的参与及调控。因此,理解多种软物质在材料合成过程中的协同作用,是材料化学进一步开拓常温绿色合成手段的关键,也是获得性能优异的结构、功能材料的必经之路。

 

合成矿物薄膜表现出了微结构及力学性能的双重仿生效果

  

  该工作是基于姜源副教授在材料学院指导的本科生论文,并通过校际、国际合作完成的。论文的第一作者为材料学院2010级本科生肖传连(现为德国马克斯-普朗克固体研究所Joachim Maier教授课题组硕士研究生),材料学院2012级本科生李明(现为厦门大学材料学院2016级硕士研究生)和2013级本科生王炳俊(现为英国牛津大学物理系Donal Bradley教授课题组博士研究生)参与了该工作。材料学院卢勇助理教授利用理论模拟对薄膜生长机制进行了验证,李思维副教授参与了透射电子显微镜测试及分析工作,詹达副教授利用拉曼显微技术对仿生薄膜进行了测试及分析。研究平台为中组部千人计划专家刘向阳教授主持的生物仿生与软物质研究院。

该研究工作得到了国家自然科学基金委员会青年科学基金项目(编号:21303144)和福建省科学技术厅面上基金项目(编号:2014J01207)的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-01719-6

(李明、王炳俊、曾薇)

  

  

 

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