中国科大在矿物基结构材料的仿生矿化制备领域取得系列进展

中国科大在矿物基结构材料的仿生矿化制备领域取得系列进展

矿物基结构材料（Mineral-based bulk structural materials）是一类用量极大、用途极广的材料，这些材料性能的提升无疑将显著推动工业制造业的发展。自然界中的生物经过长期进化，形成了各类性能优越的生物矿物材料（图1）。这些生物矿物材料的优越性能依赖于其自分子尺度至宏观的多级次结构，例如珍珠母的片层状结构和石鳖牙齿中的柱状结构。探究源自生物矿物材料的结构设计原理无疑将为人工矿物基新材料的研发提供重要启发和依据，然而如何在人工材料中设计和制造这些复杂结构，一直是困扰科学界的难题。

长期以来，俞书宏院士团队一直围绕模拟生物矿化和仿生材料开展系统性研究，通过学习生物材料在生物体内的合成策略，提出了仿生结构材料制备的若干种原创性方法，解决了精细结构控制、界面调控、构效关系等关键科学问题，创制了一系列高性能新型仿生结构材料，并为其规模化制备提供了理论基础和方法指导（Science 2016, 354, 107；Nat. Nanotechnol. 2017, 5, 434；Nat. Commun. 2017, 8, 287；Sci. Adv. 2018, 4, eaat7223；Sci. Adv. 2020, 6, aaz1114；Adv. Mater. 2021, 33, 2001086；Adv. Mater. 2022, 34, 2108267）。

图1. 生物矿物结构材料的复杂多级次结构。(a)珍珠母层状结构及增韧机理；(b)石鳖牙齿的分层结构及层内取向结构。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队应邀在美国化学会Journal of the American Chemical Society上发表了题为“Matrix-D irected Mineralization for Bulk Structural Materials”的Perspective综述论文，提出了一种受生物矿物体内生长过程启发的制造策略，通过学习生物矿物在预结构化模板诱导下的受控生长，实现具有多级次结构的矿物基仿生新材料的可控制备。合肥微尺度物质科学国家研究中心茅瓅波副研究员为该论文的第一作者。

图2. 基于框架诱导矿化策略构筑的复杂多级次结构人工矿物基结构材料。(a) “框架诱导矿化”法制备人工珍珠母；(b)人工珍珠母的精细结构调控及性能。

该策略提出了一类生物矿物（例如珍珠母）的层状结构可通过层状模板诱导文石相碳酸钙沉积来制造，这种“框架诱导矿化策略”以化学矿化与物理组装相结合的方式，为解决矿物基结构材料制备过程中结构精度与制备效率无法兼得这一问题提供了有效途径。作者首先回顾了人工矿物基结构材料的两类主要制备方法，即增材制造与外场诱导，其共同特点是微纳结构基元主要通过物理作用进行组装。作为对比，分析了生物矿物结构材料的生长过程，认为具有跨尺度复杂结构的生物矿物结构材料不仅利用了物理组装过程，同时还涉及化学生长过程的精准调控，并以珍珠母为例详细阐述了这种生物矿物材料的合成过程，回顾了与生物矿物结构材料制备及其性能密切相关的机制。通过对生物矿物结构材料生长合成过程和规律的总结，提出了框架诱导矿化策略，总结了该领域国际上已取得的最新进展，展示了这种新策略的可行性和优越性。

最后，作者展望了框架诱导矿化策略的未来发展方向，描绘了实现高效和精准制造高性能人工矿物基材料的路线图，即通过运用更多组装方式与生长方法的结合，拓展所生长的矿物种类并使之功能化，将有望制造具有应用导向型多级次结构设计及多功能耦合的仿生矿物基结构材料。

本工作受到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07296

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、科研部）

将有望制造具有应用导向型多级次结构设计及多功能耦合的仿生矿物基结构材料