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    我国科学家在人工合成珍珠母研究方面获得突破性进展

    日期 2016-10-18   来源:化学科学部   作者:黄宝晟 付雪峰 陈荣  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金创新研究群体项目、国家自然科学基金重点项目(项目编号:21521001,21431006)等资助下,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院俞书宏课题组在人工合成珍珠母的方法上取得突破性进展。相关成果以“Synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization(预先设计框架定向指引矿化人工合成珍珠母)”为题发表在10月7日出版的Science上,论文链接:http://science.sciencemag.org/content/early/2016/08/18/science.aaf8991。文章第一作者是该校博士生茅瓅波。

      人工模拟珍珠母的生长及合成一直是生物矿化和仿生材料研究领域的挑战。不同于以往仿珍珠母材料或仿生矿化方法仅仅得到微观晶体。俞书宏课题组模拟软体动物合成天然珍珠母的策略,首次提出并建立了一种全新的介观尺度“组装与矿化”相结合的合成方法,成功实现了宏观尺度人工贝壳母的人工制备。该种仿生材料具有与天然珍珠母高度相似的化学组分和微观结构,并因此兼具强度及韧性。这种人工仿珍珠母材料具有与天然珍珠母高度类似的化学组分、无机含量(高达91 wt%)、多级结构形式以及超常的断裂强度和断裂韧性。这种仿珍珠母材料增强现象主要归因于仿珍珠母材料的多级结构和发挥连结作用的有机物层,而纳米晶组装的文石片结构也能够消散一部分能量,还能够在有机物层和文石片上通过形成断裂分支、断裂偏向、断裂迟缓、断裂阻挡来消耗能量。该方法还适用于包括脆性和热不稳定性材料在内的多种材料体系。

      该项研究成果开创了材料仿生合成的一个新路径,解决了多年来难以通过模拟生物体内生物材料生长过程的方法制备宏观尺度人工珍珠层结构材料的难题,为今后设计和制备具有优越力学性能的一系列新型宏观尺度仿生功能材料提供了新思路,可广泛应用于制备其他体系的人工材料,如人工骨骼、金属有机框架-有机物复合材料及多种陶瓷基复合材料等。

      相关研究成果得到了积极的评价。Science的审稿人评价称“这是一个可靠的、开创性的工作(This is a solid and pioneering work)”,“作者报道了一种制备大体积人工珍珠母的新方法(the authors describe a new method to fabricate large volumes of artificial nacre)”,“这篇论文将对具有等级有序结构的高性能复合材料的设计原理有贡献,对今后的工作具有启发性(This manuscript will contribute to the design principles for preparing robust composite materials with hierarchically ordered structures, which is instructive for future work.)”。Science还在同期观点栏目(Perspectives)配发了题为“Growing a synthetic mollusk shell(人工珍珠母的生长)”的长篇评述(Science 2016, 354, 32-33),评述称“该矿化方法是一项突破性进展,它成功地将‘能制造出的具有可控层间距的大体积三维多层壳聚糖模板’与‘能够完全实现其矿化而获得非常高的矿物质含量’的两个过程集成于一体”,“这种方法为深入研究由矿物和聚合物为原材料的不同组合方式在高度可控和可调的环境中的矿化过程的本质提供了一个‘沙箱’”,“该方法也可能应用于制造大体积类珍珠母结构的骨移植体,而复制天然骨骼的力学和在体内的反应特性是骨科学领域的迫切挑战”,“该方法可适用于不同组合方式的无机和有机组分的复合,因此也有可能制备多种仿生工程材料。特别值得关注的是,这种方法或许能够制造高强和高韧兼备的材料,而这两种性质在传统工程材料体系中是相互排斥的”。Nature也在近期以“Bulk production of mother-of peral(批量生产珍珠母)”为题将该工作选为研究亮点(Nature 2016, 536, 377)。

    图1 通过模拟生物矿化过程合成人工珍珠母的步骤

      壳聚糖溶液(A),取向冻干法制备层状结构壳聚糖框架(B),乙酰化后得到几丁质框架(C),流动矿化法生长碳酸钙晶体(D),蚕丝蛋白浸渍及热压(E)。

    图2 天然珍珠层(左)与人工珍珠层(右)不同尺度的结构相似性

      天然贝壳珍珠层的外观(A),层状结构(B),泰森多边形结构(C)以及文石片颗粒状结构(D);人工珍珠层的外观(E),层状结构(F),泰森多边形结构(G)以及文石片颗粒状结构(H)。




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