俞书宏其人 【Science重磅】中科大俞书宏教授 介观尺度“组装与矿化”合成人工贝壳

2018-03-19
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文章简介：软体动物珍珠层中高度有序的微观"砖-泥"分级结构,同时赋予了异乎寻常的强度和韧性.相比之下,强度和韧性在多数人工材料中却是相互排斥.不可兼得

软体动物珍珠层中高度有序的微观“砖-泥”分级结构,同时赋予了异乎寻常的强度和韧性。相比之下,强度和韧性在多数人工材料中却是相互排斥、不可兼得的,从而使其受到材料学家的广泛关注。

天然珍珠层已经被人工模仿了数十年,然而现有人工方法很难像生物体一样获得高度有序的多级结构,同时还要受限于很低的效率。当前用于制备仿珍珠层人工材料的诸多方法(包括层层叠加技术、自组装技术、取向冷冻/磁场诱导成型-高温烧结技术)虽然一定程度上模仿了天然珍珠层的结构和力学性能,但却未能真正通过模仿天然贝壳矿化生长过程的方式构筑出人工珍珠层结构材料,并且这些方法的适用范围以及最终材料的厚度均受到限制。

几丁质框架,随后通过蠕动泵使得含有一定量聚丙烯酸和镁离子的碳酸氢钙溶液不断的循环通过该层状有机框架,并在其中进行原位矿化生长。在此过程中,文石以类似天然珍珠层生长的方式,在有机框架上随机成核并沿侧向外延生长,最终在每一层框架上均形成与天然珍珠层类似的泰森多边形结构。

矿化后的材料经过丝蛋白溶液浸渍和热压处理便得到块状人工珍珠层材料。这种人工仿珍珠层材料具有与天然珍珠层高度类似的化学组分、无机含量、多级结构形式以及超常的断裂强度和断裂韧性。

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

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(D),层状结构(E),泰森多边形结构(F)以及文石片颗粒状结构(G)。