仿生礦化制備氧化鎂-氫氧化鎂材料的研究.pdf

1、自然界中有許多生物可在體內(nèi)或體外通過(guò)礦化作用合成無(wú)機(jī)材料，這些生物合成的材料通常具有精細(xì)的多層級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有各種優(yōu)異性能。這些生物通?？稍隗w內(nèi)合成特定的有機(jī)物，有機(jī)大分子通過(guò)有序自組裝成特異的模板進(jìn)一步指導(dǎo)無(wú)機(jī)礦物的形成和結(jié)構(gòu)，從而得到多層級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物礦化材料。因此，天然礦物結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程也值得廣大科學(xué)家們學(xué)習(xí)。近年來(lái)，仿生物過(guò)程合成（bio-process inspired synthesis）作為一種綠色環(huán)保的制備方法為人工合

2、成制備具有特異功能的晶體材料和生物智能材料提供了新的視野，該合成過(guò)程消耗能量少，其結(jié)晶過(guò)程是典型的自組裝過(guò)程。
　　然而，在大多數(shù)的情況下，單個(gè)或多個(gè)有機(jī)質(zhì)并不能代替作為生物礦物的生長(zhǎng)和形成搖籃的生物有機(jī)整體。生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和獨(dú)創(chuàng)性仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超前于化學(xué)家所能設(shè)計(jì)達(dá)到的環(huán)境。因此，我們提出直接以自然生物活體作為平臺(tái)，常溫下合成無(wú)機(jī)材料。前人工作主要集中于無(wú)機(jī)材料的體外合成，很少有研究報(bào)道關(guān)注于用生物活體合成那些我們所需的材料。該工作預(yù)

3、示著仿生合成從體外到體內(nèi)的開(kāi)始。
　　氧化鎂（MgO）及氫氧化鎂（Mg(OH)2）以其獨(dú)特的表面性質(zhì)，在污染物的消除以及催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，因而，具有新穎形貌的氧化鎂（MgO）及氫氧化鎂（Mg(OH)2）材料的可控制備激發(fā)了科研人員越來(lái)越多的興趣。
　　本實(shí)驗(yàn)方法中，我們將氧化鎂納米粉體制成圓片作為珍珠珠核插入到褶紋冠蚌的外套膜和殼體之間，觀察其微觀結(jié)構(gòu)和性能的變化。我們得到以下重要結(jié)論：
　　1．在礦化過(guò)程中，

4、生命系統(tǒng)通過(guò)細(xì)胞或蛋白的精細(xì)調(diào)控，成功地將接近外套膜的氧化鎂納米顆粒轉(zhuǎn)變成網(wǎng)絡(luò)狀的Mg(OH)2薄片。我們捕捉到體內(nèi)MgO-Mg(OH)2的礦化過(guò)程是一個(gè)極其精細(xì)的過(guò)程。而在體外的Mg(OH)2的化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)中，一般難以清楚的捕捉到這些細(xì)致的生長(zhǎng)過(guò)程。氧化鎂納米顆粒在貝殼體內(nèi)的結(jié)構(gòu)演變?yōu)樯锏V化機(jī)理的探究帶來(lái)了本質(zhì)的啟發(fā)。
　　2．遠(yuǎn)離外套膜液區(qū)域的氧化鎂納米粉體在有機(jī)質(zhì)的調(diào)控下發(fā)生定向排列。該生長(zhǎng)過(guò)程符合非經(jīng)典晶體結(jié)晶理論，為典

5、型的介觀晶體生長(zhǎng)過(guò)程。體內(nèi)蛋白與MgO晶體存在著幾何匹配，以2nm為匹配單元，在蛋白的調(diào)控下逐漸組裝，在方向上形成一致性，最終形成一個(gè)完整的晶體。該現(xiàn)象的捕捉為生物礦化中的“幾何匹配”這一概念提供了有力的直接證據(jù)。
　　3、經(jīng)過(guò)貝殼體內(nèi)生物礦化后所得粉體材料具有增強(qiáng)的吸附性能，后續(xù)的熱處理過(guò)程可進(jìn)一步提高所得粉體材料的吸附特性。這是由于在熱處理過(guò)程中，吸附在顆粒表面的蛋白分解，增加了顆粒與剛果紅分子作用的界面，從而提高了顆粒的吸附

6、性能。另一方面，有機(jī)質(zhì)的分解，導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生大量的介孔，高的孔隙率將提高粉體的比表面積，有利于粉體對(duì)有機(jī)分子的吸附。
　　4、為進(jìn)一步論證氧化鎂納米粉體在貝殼體內(nèi)的礦化過(guò)程。我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列體外礦化模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)體外礦化模擬實(shí)驗(yàn)，我們觀察到了體內(nèi)礦化過(guò)程中片狀組裝的網(wǎng)格狀氫氧化鎂晶體的生長(zhǎng)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明生物活體蛋白-外套膜液蛋白可在體外礦化試驗(yàn)中調(diào)控氧化鎂向氫氧化鎂晶體的生長(zhǎng)。
　　本研究工作所得的結(jié)果擴(kuò)展了目前材料制