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礦物基結(jié)構(gòu)材料（Mineral-based bulk structural materials）是一類用量極大、用途極廣的材料，這些材料性能的提升無疑將顯著推動工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展。自然界中的生物經(jīng)過長期進(jìn)化，形成了各類性能優(yōu)越的生物礦物材料（圖1）。這些生物礦物材料的優(yōu)越性能依賴于其自分子尺度至宏觀的多級次結(jié)構(gòu)，例如珍珠母的片層狀結(jié)構(gòu)和石鱉牙齒中的柱狀結(jié)構(gòu)。探究源自生物礦物材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理無疑將為人工礦物基新材料的研發(fā)提供重要啟發(fā)和依據(jù)，然而如何在人工材料中設(shè)計(jì)和制造這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一直是困擾科學(xué)界的難題。

長期以來，俞書宏院士團(tuán)隊(duì)一直圍繞模擬生物礦化和仿生材料開展系統(tǒng)性研究，通過學(xué)習(xí)生物材料在生物體內(nèi)的合成策略，提出了仿生結(jié)構(gòu)材料制備的若干種原創(chuàng)性方法，解決了精細(xì)結(jié)構(gòu)控制、界面調(diào)控、構(gòu)效關(guān)系等關(guān)鍵科學(xué)問題，創(chuàng)制了一系列高性能新型仿生結(jié)構(gòu)材料，并為其規(guī)?；苽涮峁┝死碚摶A(chǔ)和方法指導(dǎo)（Science 2016, 354, 107；Nat. Nanotechnol.?2017, 5, 434；Nat. Commun.?2017, 8, 287；Sci. Adv.?2018, 4, eaat7223；Sci. Adv.?2020, 6, aaz1114；Adv. Mater.?2021, 33, 2001086；Adv. Mater.?2022, 34, 2108267）。

圖1. 生物礦物結(jié)構(gòu)材料的復(fù)雜多級次結(jié)構(gòu)。(a)珍珠母層狀結(jié)構(gòu)及增韌機(jī)理；(b)石鱉牙齒的分層結(jié)構(gòu)及層內(nèi)取向結(jié)構(gòu)。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在美國化學(xué)會Journal of the American Chemical Society上發(fā)表了題為“Matrix-D irected Mineralization for Bulk Structural Materials”的Perspective綜述論文，提出了一種受生物礦物體內(nèi)生長過程啟發(fā)的制造策略，通過學(xué)習(xí)生物礦物在預(yù)結(jié)構(gòu)化模板誘導(dǎo)下的受控生長，實(shí)現(xiàn)具有多級次結(jié)構(gòu)的礦物基仿生新材料的可控制備。合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心茅瓅波副研究員為該論文的第一作者。

圖2. 基于框架誘導(dǎo)礦化策略構(gòu)筑的復(fù)雜多級次結(jié)構(gòu)人工礦物基結(jié)構(gòu)材料。(a) “框架誘導(dǎo)礦化”法制備人工珍珠母；(b)人工珍珠母的精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控及性能。

該策略提出了一類生物礦物（例如珍珠母）的層狀結(jié)構(gòu)可通過層狀模板誘導(dǎo)文石相碳酸鈣沉積來制造，這種“框架誘導(dǎo)礦化策略”以化學(xué)礦化與物理組裝相結(jié)合的方式，為解決礦物基結(jié)構(gòu)材料制備過程中結(jié)構(gòu)精度與制備效率無法兼得這一問題提供了有效途徑。作者首先回顧了人工礦物基結(jié)構(gòu)材料的兩類主要制備方法，即增材制造與外場誘導(dǎo)，其共同特點(diǎn)是微納結(jié)構(gòu)基元主要通過物理作用進(jìn)行組裝。作為對比，分析了生物礦物結(jié)構(gòu)材料的生長過程，認(rèn)為具有跨尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物礦物結(jié)構(gòu)材料不僅利用了物理組裝過程，同時還涉及化學(xué)生長過程的精準(zhǔn)調(diào)控，并以珍珠母為例詳細(xì)闡述了這種生物礦物材料的合成過程，回顧了與生物礦物結(jié)構(gòu)材料制備及其性能密切相關(guān)的機(jī)制。通過對生物礦物結(jié)構(gòu)材料生長合成過程和規(guī)律的總結(jié)，提出了框架誘導(dǎo)礦化策略，總結(jié)了該領(lǐng)域國際上已取得的最新進(jìn)展，展示了這種新策略的可行性和優(yōu)越性。

最后，作者展望了框架誘導(dǎo)礦化策略的未來發(fā)展方向，描繪了實(shí)現(xiàn)高效和精準(zhǔn)制造高性能人工礦物基材料的路線圖，即通過運(yùn)用更多組裝方式與生長方法的結(jié)合，拓展所生長的礦物種類并使之功能化，將有望制造具有應(yīng)用導(dǎo)向型多級次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及多功能耦合的仿生礦物基結(jié)構(gòu)材料。

本工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c07296

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）