高镁方解石块材的生物模拟合成及机械性能研究

This project involves in research field of inorganic materials chemistry, mainly focused on developing calcium carbonate nanomaterial that has substantial application prospect in current industry. In recent years, researchers found that calcite minerals (such as sea urchin teeth) contain high magnesium, leading to remarkable mechanical properties. However, the use of magnesium-containing amorphous calcium carbonate to crystalize in high magnesium calcite, and biomimetic synthesis of bulk materials with high mechanical properties remains a great challenge. In this project, we aim at developing efficient methods that enable the controlloed synthesis of high magnesium calcites, along with uncovering the crystallization process as well as intrinsic mechanism. Based upon these, we then explore strategies (e.g., hot-press method) that allow the access to high-magnesium calcite bulk materials with outstanding mechanical properties, thus providing useful information to the preparation of artificial bulk materials with controlled nanostructures (e.g., the bionic teeth).

本项目属于无机材料化学和材料科学研究领域，围绕具有重要工业应用前景的碳酸钙纳米材料展开研究。近年来，研究者发现含有高镁方解石的生物矿物（如海胆牙齿）具有卓越的机械性能，然而如何高效利用含镁无定形碳酸钙结晶制备高强度的镁方解石块仿生体材料仍面临巨大的挑战。本项目拟通过设计不同的非晶转化方法，利用含镁无定形碳酸钙可控制备高镁方解石，阐明结晶转化过程和机理；另一方面，面向应用需求发展具有高机械性能的高镁方解石块材的可控制备方法（如热压法），从而为规模化制备具有可控纳米级结构的人工仿生结构材料（如仿生牙齿）提供借鉴。

碳酸钙广泛分布在地壳，海洋生物和自然矿物中。最近几年，其卓越的光学和机械性能已经引起了人们的广泛关注。为了研究碳酸钙在溶液中的成核和结晶机理，研究人员选择多种添加剂来控制碳酸钙的形貌和晶型。值得指出的是在这些添加剂中镁离子由于在生物矿化研究中的多种功能而尤为突出。有趣的是，镁方解石广泛存在于像海胆牙齿、珊瑚红藻类、红珊瑚和钙质海绵等这些海洋生物中。镁方解石与常见的方解石相比具有更优越的机械性能，因此目前已经有许多研究聚焦于镁方解石的形成。. 在基金资助期间，我们主要报道了一种在仅有Ca2+和Mg2+存在的环境中，由ACC粉末前驱体结晶得到玉米状镁方解石介观晶体的的简单方法。所得介观晶体由许多具有相同晶体取向的纳米立方块组成，展现出了良好的单晶特性。整个实验过程是以ACC为前驱体，在简单的无机环境中进行的，能够很好地研究Ca2+和Mg2+对碳酸钙成核和晶相转变的影响。通过此方法，我们指出Ca2+和Mg2+的摩尔比例在玉米状镁方解石介观晶体的生长过程中起到重要的作用，表明海水是生物镁方解石生成过程中的关键因素。研究发现钙离子和镁离子的摩尔比例在整个结晶过程中起着至关重要的作用，这可能为揭示自然界海水中生物镁方解石形成机制提供新的思路。目前以通讯作者身份在Sci. China Mater. 发表学术论文一篇，同时申请国家知识产权专利一个。