无机纳米晶-有机质有序复合结构的界面微结构设计与组装

将高硬度无机材料与高韧性有机材料完美结合，制备新型高性能结构与功能材料，特别是纳米晶/有机质有序复合结构材料，是材料学领域的一个重要课题。无机/有机界面结构及键合机制是组装无机纳米晶－有机质有序结构的关键。运用分子工程和材料化学原理设计界面结构、组装有序微结构、制备兼具高硬度和高韧性的无机/有机复合材料是本项目的研究内容。本项目以高硬度材料（氮化硅、碳化硅、氧化铝等纳米晶）为无机相，以高韧性功能大分子材料为有机相，在原子分子层次上研究有机分子与晶格点阵之间的作用力（化学键、氢键、分子间作用）和空间匹配（晶格、立体化学、空间对称性、表面形态），设计具有高结合强度和晶面识别作用的无机－有机界面结构。研究界面物理与化学的基本科学问题、结构组装的热力学和动力学过程，通过有机-无机界面的识别作用，构筑硬度高、韧性好的有序复合体系。该工作对探索材料研究新方法、建立新的微结构体系具有重要意义。

利用化学气相沉积法制备了氮化硅微纳米带，通过调节沉积温度实现对不同结构的氮化硅纳米带的可控制备，研究了其微观结构、成分以及沉积温度等因素。此氮化硅纳米带可以作为很好的的增强材料用于陶瓷、金属或聚合物基复合材料。.通过本体聚合和热压方法制备了纳米氮化硅晶须聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。将极少量表面修饰过的氮化硅晶须与聚合物有效组装，制备出弹性模量比纯聚甲基丙烯酸甲酯大幅提高的复合材料。.通过双元聚电解质作用制备了具有有序微结构的稳定球霰石介观晶体。制备工艺模拟生物矿物的缓慢沉积过程，重点研究控制碳酸二甲酯的缓慢分解。体系中首先形成无定形碳酸钙，同时在双元聚电解质形成的框架中聚集，得到由大量纳米粒子无序聚集的介稳球霰石晶体，整个介晶表现出单晶的结构特性。此介晶的形成过程和机理对贝壳形成的理解及仿贝壳材料的制备具有很好的启发作用，为生物矿化研究提供了一种新的策略。.通过水热反应制备了一种新型的生物大分子-无机杂化材料CZHC，并对其形成机理以及应用进行了研究。研究表明，在控制水热时间为24小时，可得到厚度为20nm的均匀片状结构。杂化材料由质量分数为44%的碱式碳酸锌（Zn5(CO3)2(OH)6）以及56%的壳聚糖组成，其中Zn5(CO3)2(OH)6纳米晶体在壳聚糖基体上均匀成核、结晶、生长。由于壳聚糖与Zn5(CO3)2(OH)6晶格的匹配性，在杂化材料的形成过程中，壳聚糖作为模板及结构诱导剂，通过氢键作用及静电吸附作用，促进Zn5(CO3)2(OH)6有效成核并生长。抗真菌实验表明， CZHC纳米晶体对根霉菌、棉花黄萎病菌、毛霉菌具有良好的杀菌效果，且相比于纳米氧化锌、碱式碳酸锌与壳聚糖及其简单共混产物，CZHC对根霉菌具有更佳的杀菌效果。.通过一种类成釉蛋白的双元聚电解质的成矿作用得到了牙釉质状羟基磷灰石粉体，并通过简易的热压方法进一步得到了具有有序微结构的羟基磷灰石复合材料。双元聚电解质由枝状聚乙烯亚胺和顺丁烯二酸所构成，二者之间通过氢键和静电作用相互交联为羟基磷灰石晶体提供了成矿的空间和位点。所得牙釉质状羟基磷灰石纳米晶长度数百纳米到若干微米，晶体之间平行紧密排列，微观结构上与人类牙釉质晶体相仿。