11月9日, 我校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 CaCO 3 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. 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. 但生物矿化过程难以进行原位观测, 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. 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) . 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.
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.
该工作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. 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, 李思维副教授和化学化工学院许斌斌老师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.
