有序自组装体在仿生矿化体系中的动态形成及结构演变一般性规律研究

在生物矿物形成过程中，有机组分的预组织及协同作用机制，对材料的结构形貌都会产生深刻影响。因此，研究矿化早期有机组分的相互作用机制，及结构化模板的形成及变化规律，对合成功能性无机纳米材料意义非常重大。本项目以典型的有机凝胶矿化体系为研究对象，模拟固态基质网络、水溶性生物大分子及特定微观矿化环境，实现对有机自组装体结构的合理构筑，并以此为模板诱导转录制备新型纳米仿生材料。拟着重解决如下关键性科学问题：①凝胶矿化体系中，自组装模板的动态形成、结构衍变及实现无机材料可控生长的一般性规律。②凝胶矿化体系中的软硬模板效应，亚稳微空间内外的矿物离子扩散规律。通过多学科交叉研究，总结出不同有机组分在矿化体系中相互作用及组装规律，为仿生设计与合成具有特定结构和功能的材料和器件提供理论依据。

生物矿化通常发生在类似凝胶的环境中，由基质网络形成的微矿化环境可有效的调控生物矿物生长和结构。本课题以灵活多变的聚合物和有机小分子作为晶体生长调节剂，在矿化早期形成多种类似凝胶的仿生矿化体系，并借助外界刺激条件变化成功诱导有序聚集体形成，制备了多种形貌结构新颖的仿生材料。研究成果对阐明凝胶网络、自组装体结构演化和受限微环境内矿化机理研究具有重要意义。本课题着重开展了以下研究工作：(1) 在聚丙烯酸和有机染料协同调控的矿化溶液中，靠非共价键作用的凝胶网络容易受到溶液pH值影响，可自动组装形成螺旋状、一维及球状自组装体；应用此类“亚稳”模板可构建多种BaCO3晶体材料，如螺旋纳米管、线性纳米管和微球；结构分析表明，模板效应下组成基元的组装受到某种层度的限制，合成产物往往具有多晶而非单晶特性。(2)在PAH聚电解质调控的矿化溶液中，受限方解石沉底的溶解过程可形成类凝胶矿化体系，然后在结晶过程中合成异质结构CaCO3纳米线。其生长过程经历溶液-前驱物-固体，溶质浓度和聚合物空间分布可调节结晶热力学和动力学平衡，促进不同相的生成。(3) 成功将“聚阳离子电解质诱导的液态前驱物过程”拓展到BaCO3体系，早期微相分离过程可以形成类“胶体”矿化溶液，矿化过程受到反应-扩散过程的影响，最终可合成核-壳结构的BaCO3微球及超生长“亚晶”纳米线。同时，衬底界面上矿物质膜通过自组装形成同心环图案。(4) 借助由聚合物和生物分子预组装形成胶束状聚集体，并以此“纳米空间”富集溶质和无定形相，诱导溶液经历类似液态前驱物的矿化过程。在该体系中，矿化过程受到结晶驱动力和溶质扩散双重作用控制，可形成具有多种具有异质结构CaCO3枝晶。(5) 在磷酸化嵌段聚合物和图案化基质界面协同条件下，有效的调控了BaCO3超细纳米线的结构、阵列和生长方向，并通过引入荧光分子赋予阵列结构光致发光特性，为仿生设计与合成具有特定结构和功能的器件提供理论依据。

内容获取失败，请点击重试