中国科学家用仿生方法合成人工珍珠母

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08-20 12:10 中国生物技术网 (biotech-china) 学术

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  贝壳珍珠母是当今世界仿生材料设计研究中的热点。中国研究人员18日在美国《科学》杂志网络版上报告说,他们参照软体动物合成天然珍珠母的策略,利用完全仿生的方法制备出组分、结构和性能均与天然类似的人工珍珠母。

  负责研究的中国科学技术大学俞书宏教授告诉新华社记者:"从具体合成的材料看,我们实现了合成与天然珍珠母高度类似的人工珍珠母的梦想。从长远看,这项研究为今后研制具有优异功能的仿生结构材料提供了一种全新的思路和普适的方法。"

  自然界中,生命体系通常利用能大量获取的原料不断优化其微观结构,来提升其体内硬质复合材料的力学性能。而材料仿生设计研究,便是通过学习这种独特的微观结构,并结合人工合成的物质,来获得性能远远超越常规材料的新型材料。

  当前仿生结构材料研究的热点包括贝壳、骨骼和牙齿等。其中珍珠母是贝壳中的内层材料,与珍珠具有相似的组成和结构,通常含有95%以上的碳酸钙以及不到5%的几丁质和蚕丝蛋白等有机物。微观尺度上,它具有砌墙式的砖泥结构,其中"砖"是碳酸钙薄片,"泥"是几丁质等有机物。

  俞书宏等人的方法参照了软体动物合成天然珍珠母的砌墙式策略,首先运用优化的冷冻组装法构筑具有多层介观尺度结构的几丁质框架,然后通过矿化溶液在框架内的循环流动,使得碳酸钙在该框架的每一层上矿化生长,最后通过浸渍蚕丝蛋白溶胶和热压的方法即可得到仿珍珠母材料。

  这种仿珍珠母材料具有与天然珍珠母高度相似的化学组分和跨越多个尺度的有序结构,其密度更低,但力学性能相当,具有优越的抗断裂性能。

  研究人员认为,这种全新的介观尺度"组装与矿化"相结合的合成策略适用于其他多种材料体系。这个方法易于调控材料的微、纳多级结构,原理简单,成本较低,有望用于设计和构筑各种具有优越力学性能的新型多级结构材料。


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