中國科大在礦物基結構材料的仿生礦化制備領域取得系列進展

礦物基結構材料（mineral-based bulk structural materials）是一類用量極大、用途極廣的材料，這些材料性能的提升無疑將顯著推動工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展。自然界中的生物經(jīng)過長期進化，形成了各類性能優(yōu)越的生物礦物材料（圖1）。這些生物礦物材料的優(yōu)越性能依賴于其自分子尺度至宏觀的多級次結構，例如珍珠母的片層狀結構和石鱉牙齒中的柱狀結構。探究源自生物礦物材料的結構設計原理無疑將為人工礦物基新材料的研發(fā)提供重要啟發(fā)和依據(jù)，然而如何在人工材料中設計和制造這些復雜結構，一直是困擾科學界的難題。

長期以來，俞書宏院士團隊一直圍繞模擬生物礦化和仿生材料開展系統(tǒng)性研究，通過學習生物材料在生物體內(nèi)的合成策略，提出了仿生結構材料制備的若干種原創(chuàng)性方法，解決了精細結構控制、界面調(diào)控、構效關系等關鍵科學問題，創(chuàng)制了一系列高性能新型仿生結構材料，并為其規(guī)?；苽涮峁┝死碚摶A和方法指導（science2016, 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）。

圖1. 生物礦物結構材料的復雜多級次結構。(a)珍珠母層狀結構及增韌機理；(b)石鱉牙齒的分層結構及層內(nèi)取向結構。

近日，中國科學技術大學俞書宏院士團隊應邀在美國化學會journal of the american chemical society上發(fā)表了題為“matrix-d irected mineralization for bulk structural materials”的perspective綜述論文，提出了一種受生物礦物體內(nèi)生長過程啟發(fā)的制造策略，通過學習生物礦物在預結構化模板誘導下的受控生長，實現(xiàn)具有多級次結構的礦物基仿生新材料的可控制備。合肥微尺度物質科學國家研究中心茅瓅波副研究員為該論文的第一作者。

圖2. 基于框架誘導礦化策略構筑的復雜多級次結構人工礦物基結構材料。(a) “框架誘導礦化”法制備人工珍珠母；(b)人工珍珠母的精細結構調(diào)控及性能。

該策略提出了一類生物礦物（例如珍珠母）的層狀結構可通過層狀模板誘導文石相碳酸鈣沉積來制造，這種“框架誘導礦化策略”以化學礦化與物理組裝相結合的方式，為解決礦物基結構材料制備過程中結構精度與制備效率無法兼得這一問題提供了有效途徑。作者首先回顧了人工礦物基結構材料的兩類主要制備方法，即增材制造與外場誘導，其共同特點是微納結構基元主要通過物理作用進行組裝。作為對比，分析了生物礦物結構材料的生長過程，認為具有跨尺度復雜結構的生物礦物結構材料不僅利用了物理組裝過程，同時還涉及化學生長過程的精準調(diào)控，并以珍珠母為例詳細闡述了這種生物礦物材料的合成過程，回顧了與生物礦物結構材料制備及其性能密切相關的機制。通過對生物礦物結構材料生長合成過程和規(guī)律的總結，提出了框架誘導礦化策略，總結了該領域國際上已取得的最新進展，展示了這種新策略的可行性和優(yōu)越性。

最后，作者展望了框架誘導礦化策略的未來發(fā)展方向，描繪了實現(xiàn)高效和精準制造高性能人工礦物基材料的路線圖，即通過運用更多組裝方式與生長方法的結合，拓展所生長的礦物種類并使之功能化，將有望制造具有應用導向型多級次結構設計及多功能耦合的仿生礦物基結構材料。

本工作受到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金重點項目的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07296

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）