11月9日, 我校材料學院薑源副教授, 與浙江大學唐睿康教授課題組, 德國Konstanz大學Helmut Cölfen教授課題組合作, 在國際學術期刊Nature Communications上發表了題為 'Total Morphosynthesis of Biomimetic Prismatic-Type CaCO 3 Thin Films' 的研究論文, 首次利用全合成手段獲得了仿貝類稜柱層結構的碳酸鈣薄膜, 並實現了仿生薄膜微結構的精準調控, 由此獲得了優異的力學性能.
與天然或合成礦物相比較, 生物礦物往往展現出優異的力學及其它性能. 其原因在於, 生物礦物具有特定形態的多級有序微納結構, 此類微納結構同時又具備宏觀尺度上的結構一致性. 多級有序礦物結構的獲得, 依賴於多種生物質大分子在生物礦化過程中的協同作用. 明晰這種協同作用, 可以更好地指導材料化學家對複合材料進行可控製備, 以獲得優異的力學及其它性能. 但生物礦化過程難以進行原位觀測, 而靜態的生物礦物微結構分析提供的資訊又相對有限. 因此, 可控仿生礦化仍然是材料合成領域的一大難題. 迄今為止, 仿生礦化研究大多基於經驗性認識, 基於可控路線設計進行的仿生礦化研究屈指可數.
本研究團隊基於生物礦物的空間結構異質性, 並參考了傳統晶態薄膜材料合成中的液相外延方法, 首次設計出了多步仿生礦化路線, 在常溫液相條件下成功地構築了利用聚電解質穩定的礦物種子層, 並在此基礎上利用外延礦化方法構築了碳酸鈣的稜柱層結構. 本研究製備的稜柱層薄膜不但與相對應的生物礦物在微結構上具有高度的相似性, 同時還具有類似的硬度和楊氏模量 (圖a-c) . 文中提出的基於種子層外延生長的多步礦化路線是獲得稜柱層仿生結構的普適方法, 也加深了人們對於生物礦化機制的認識.
仿生礦化要在常溫水相的反應環境中實現對具有特定微納結構的薄膜材料的精準合成, 離不開多種軟物質在從分子到宏觀多個尺度範圍內的參與及調控. 因此, 理解多種軟物質在材料合成過程中的協同作用, 是材料化學進一步開拓常溫綠色合成手段的關鍵, 也是獲得性能優異的結構, 功能材料的必經之路.
該工作基於薑源副教授在材料學院指導的本科生論文, 並通過校際, 國際合作完成. 論文的第一作者為材料學院2010級本科生肖傳連 (現為德國馬克斯-普朗克固體研究所Joachim Maier教授課題組碩士研究生) , 材料學院2012級本科生李明 (現為廈門大學材料學院2016級碩士研究生) 和2013級本科生王炳俊 (現為英國牛津大學物理系Donal Bradley教授課題組博士研究生) 參與了該工作. 材料學院盧勇助理教授利用理論類比對薄膜生長機制進行了驗證, 李思維副教授和化學化工學院許斌斌老師參與了透射電子顯微鏡測試及分析工作, 詹達副教授利用拉曼顯微技術對仿生薄膜進行了測試及分析. 研究平台為中組部 '千人計劃' 專家劉向陽教授主持的生物仿生與軟物質研究院.
