棱柱状碳酸钙仿生薄膜的晶种外延矿化诱导构筑及其应用

This project aims for design of biomimetic route for fabrication of prismatic-type CaCO3 thin films. The novelty of this work lies in the employment of the seed layer for epitaxial growth of CaCO3 thin films, which is inspired by the presence of spacial structural heterogeneity found in numerous biominerals. Accordingly, the CaCO3 thin films obtained should carry three essential structural characters, namely densely-packed microprisms, orientational preference on the vertical direction, and structural uniformity. Therefore, they should exhibit structural functions like remarkable mechanical performances, emerging superwetting behaviors, and excellent biocompatibility. Furthermore, this pathway is extended for design of 3D-oriented prismatic-type CaCO3 thin films. Beyond biomimetic mineralization to prismatic-type synthetic minerals, the growth of the seed layer is essential for the success of the current study. Time-resolved techniques are planed to be employed for kinetic studies for discovering the underlying mechanism. The current study can enrich biomimetic mineralization techniques and our understanding of biomineralization.

本项目拟通过仿生矿化手段，构筑具有棱柱微结构的碳酸钙薄膜。与已有仿生矿化研究相比，本项目设计的新颖性及挑战在于学习贝类棱柱层中存在的空间结构异形现象，设计颗粒状种子层以实现诱发外延矿化。本路线设计得到的碳酸钙仿生薄膜材料应具备以下三个重要结构特征：致密堆积的棱柱微结构、结构单元的高度取向性及宏观尺度上的结构连续性。上述路线设计所获得的仿生薄膜应具备优异的强度及硬度、（超）浸润性能、良好的生物相容性等一种或多种结构功能。在此研究基础上，进一步制备三维有序棱柱状薄膜，使得矿物薄膜具有各项异性浸润及耐刮擦性能，还将利用时间分辨技术和原位观测手段对种子层矿化进行动力学研究，以明确高分子基底表面种子层的生长机制。本项目研究可以有效的丰富仿生矿化的制备技术手段，所建立的仿生矿化模型体系也有助于深化人们对于生物矿化机理的认识。

棱柱结构是生物矿物中最常见的复杂结构形态之一。现有的仿生研究多集中在多层结构的构建方面，相关策略已经取得成功，并制备了多种结构和性能优异的仿生材料。与之相比，棱柱结构难以通过材料加工手段进行大规模制备，仿生矿化策略虽是较为可行的研究方案，但相关合成策略亟待发展。在此背景下，我们在本项目资助下系统发展了纳米籽晶外延矿化策略构建棱柱状碳酸钙膜结构。通过构建矿化微环境，成功调节了该结构生长过程中的多个结构参数，如取向、晶型、有机质含量、功能分子掺杂等，实现了棱柱结构的可控合成；通过调控棱柱膜表面微纳结构，成功制备了具有超浸润性能且力学性能优异的仿生多级有序结构；通过将仿生矿化策略与木材功能化相结合，增强了木材表面的力学性能及阻燃性能。我们也在该项目资助下发展了合成棱柱结构的新策略，在各类憎水基底表面成功生长了纳米棱柱矿物膜，大幅提升了塑料基底的摩擦学性能。同时，我们也发展了仿生功能多孔固体构建策略，获得了具有导电性能的二维连续及图案化框架结构。本研究发展了两种棱柱结构的合成新策略，有效丰富了仿生矿化策略，所建立的仿生矿化模型体系也有助于深入理解生物矿化机理。