具有生物結(jié)構(gòu)的功能材料的超聲制備及光學(xué)性能研究.pdf

1、材料性能不僅取決于其化學(xué)組分，更與其自身的結(jié)構(gòu)，特別是從宏觀到微觀的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在材料分級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究中，自然界提供了許多優(yōu)秀范例與深刻啟迪，帶來(lái)了人類仿生學(xué)的發(fā)展。長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，自然生物以最經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)化的方式構(gòu)筑和組合了維持它們生存、生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，形成了多種復(fù)雜的分級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)。這些豐富的精細(xì)結(jié)構(gòu)與其材質(zhì)的相互耦合，將呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的一體化。
　　蝴蝶翅膀(以下簡(jiǎn)稱蝶翅)能夠呈現(xiàn)出不同的顏色，以滿足其求偶捕食等生存需要，甚至

2、某些蝶翅鱗片還具有特殊的捕捉光的能力。這是由于形成蝶翅的鱗片具有特殊的分級(jí)精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成鱗片的甲殼素薄膜與填充其間的空氣具有不同的折射率，入射的光線在此精細(xì)結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生復(fù)雜的散射、干涉、衍射等光學(xué)作用。蝶翅的精細(xì)結(jié)構(gòu)-功能一體化的特點(diǎn)為新材料的制備提供了新的啟發(fā)與指導(dǎo)。以具有特殊多級(jí)精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的蝶翅為模板，將甲殼素基體替換為各種具有優(yōu)越物理特性的其它組分，可制備各種兼具原始蝶翅精細(xì)結(jié)構(gòu)與新組分特性的仿生結(jié)構(gòu)功能一體化新材料。

3、>　　葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的重要細(xì)胞器，它具有吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能的功能。葉綠體囊內(nèi)基粒像圓盤一樣堆垛形成類囊體。由于類囊體具有層狀結(jié)構(gòu)，可有效增加光在結(jié)構(gòu)中的傳導(dǎo)，從而提高了光吸收。我們同樣受此結(jié)構(gòu)啟發(fā)，以此來(lái)指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)與研究，制備其三維結(jié)構(gòu)。
　　在本研究中，選用具有精細(xì)分級(jí)結(jié)構(gòu)的蝶翅和植物葉綠體作為生物模板，以二氧化鈦功能材料的前軀體為原料，合成了一系列具有蝶翅微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)的二氧化鈦材料。探索了介孔修飾的具有蝶翅結(jié)構(gòu)

4、的二氧化鈦的制備方法和光學(xué)性能。同時(shí)，在復(fù)制葉綠體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)工藝的改進(jìn)，將具有葉綠體結(jié)構(gòu)的二氧化鈦材料制成染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極，并探討了這種光陽(yáng)極的效率和機(jī)理，為今后進(jìn)一步研究應(yīng)用具有生物分級(jí)結(jié)構(gòu)材料，設(shè)計(jì)和提高染料敏化太陽(yáng)能電池的性能提供了一定的指導(dǎo)。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.針對(duì)原始蝶翅成分及其熱分解溫度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化和確立了針對(duì)甲殼素基體的生物結(jié)構(gòu)材料的超聲制備方法。經(jīng)過(guò)對(duì)蝶翅前處理，選擇合適的配方進(jìn)

5、行超聲化學(xué)作用，以及合適的燒結(jié)工藝，將原始蝶翅結(jié)構(gòu)完美地保留在二氧化鈦功能材料中。
　　2.針對(duì)尺度在微米級(jí)的蝶翅鱗片，研究了前驅(qū)體濃度、超聲反應(yīng)參數(shù)和燒結(jié)溫度對(duì)二氧化鈦蝶翅微觀結(jié)構(gòu)的影響，并采用顯微光學(xué)研究方法，考察了因燒結(jié)溫度變化制備得到的蝶翅結(jié)構(gòu)二氧化鈦材料的紫外-可見光-紅外反射光譜。證實(shí)了二氧化鈦蝶翅微觀結(jié)構(gòu)尺寸與光之間的作用存在一定規(guī)律，由此得出制備蝶翅二氧化鈦功能材料的最優(yōu)化燒結(jié)溫度。
　　3.以具有不同微觀結(jié)

6、構(gòu)的蝴蝶翅膀?yàn)樯锬０?，以可形成介孔結(jié)構(gòu)的三嵌段共聚物P123為第二模板，制備具有硬-軟雙重模板的介孔修飾二氧化鈦蝶翅結(jié)構(gòu)材料。由此制備的材料在蝶翅結(jié)構(gòu)支架上增加了介孔，多級(jí)孔的存在增強(qiáng)了生物模板功能材料的光吸收性。有望應(yīng)用于光催化、光解水以及光電領(lǐng)域。
　　4.制備了具有植物葉綠體基粒納米層狀結(jié)構(gòu)的二氧化鈦功能材料，分析其紫外-可見光吸收性。探討了超聲化學(xué)和滲透兩種方法對(duì)復(fù)制葉綠體精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明超聲法保留了葉綠體納米層