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大自然的饋贈——超材料制備的靈感

2017-07-24 11:13:44 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

圖中所示為一個玻璃海綿的骨架，展現(xiàn)了其復(fù)雜的天然結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)為海綿提供了驚人的強(qiáng)度。圖片來源：布朗大學(xué)凱撒實(shí)驗(yàn)室的Michael Monn（PS：玻璃海綿主要特征為具有矽質(zhì)?骨針，并集結(jié)成纖巧的幾何網(wǎng)絡(luò)。主要見於深海泥底。）

大自然為我們提供了無數(shù)的關(guān)于材料以及結(jié)構(gòu)的例子，這些例子證明了，那些材料以及特定的結(jié)構(gòu)是為了適應(yīng)環(huán)境或者滿足某些要求而逐漸形成的。隸屬于美國能源部的Ames實(shí)驗(yàn)室成立了一個跨學(xué)科的研究小組，該小組正試圖解開生物體構(gòu)建自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)的秘密，他們期待著能夠利用這種方法來制造自然界中未被發(fā)現(xiàn)且不能通過常規(guī)手段合成的材料。

Ames實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、愛荷華州立大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院的Carol Vohs Johnson主席Surya Mallapragada說：“自然界中有很多這樣的擁有層級結(jié)構(gòu)的例子，但通常它們都是有機(jī)——無機(jī)復(fù)合材料。而玻璃海綿骨架卻是最好的一個例子，它形象地展示了由有機(jī)相模板化同樣可以形成這種結(jié)構(gòu)。你也可以使用無機(jī)納米晶體重構(gòu)這些結(jié)構(gòu)，但這屬于一種多尺度組裝工藝，在大多數(shù)情況下反應(yīng)只有在適宜的溫度、溫和的條件下才能進(jìn)行，如pH值。”

Surya 對這項(xiàng)研究的看法是：“我們寄希望于大自然，希望可以從大自然中獲得靈感，并將其作為生物分子的源頭，來研究我們?nèi)绾尾拍苷莆找恍┲圃旒夹g(shù)，從而得到這些擁有著分層結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)均勻的完美材料。”該研究項(xiàng)目獲得了DOE -BES生物分子材料項(xiàng)目的贊助支持。

到目前為止，Mallapragada的團(tuán)隊(duì)通過對磁性細(xì)菌的研究已經(jīng)能夠復(fù)制磁鐵礦的生長過程。這些細(xì)菌可以生成磁性納米晶體或納米晶體鏈，通過這些磁性納米晶體，細(xì)菌可以利用地球磁場判斷自身的方位。利用自組裝聚合物模板以及提取自細(xì)菌中的蛋白質(zhì)，研究人員能夠培養(yǎng)磁鐵礦晶體。

Mallapragada說：“我們使用這種方法已經(jīng)成功地生長出磁鐵礦納米晶體，但是我們并沒有局限于此，我們還利用這些技術(shù)來制造鈷鐵氧體和其他在自然界沒有發(fā)現(xiàn)的磁性納米晶體，這是一個很好的關(guān)于模板化合成技術(shù)的例子。”

該團(tuán)隊(duì)還對磷酸鈣進(jìn)行了研究，嘗試著模擬骨骼中發(fā)現(xiàn)的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

Mallapragada說：“在某些情況下，我們需要使用具有相同功能、但強(qiáng)度更高的合成類似物。大多數(shù)情況下，生物分子強(qiáng)度低，蛋白質(zhì)分子易碎，因此如果我們可以使用合成聚合物，那么這將給我們帶來更多的靈活性。”

制造納米晶體是一回事。利用納米晶體重組并形成微觀結(jié)構(gòu)，乃至最后形成宏觀尺度的結(jié)構(gòu)是另外一回事。

Mallapragada解釋說：“這跟我們在自然界中所看到的那些結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度完全不在一個層次——這就如同圣杯一樣。但是這是靈感，我們正在用合成的方法來實(shí)現(xiàn)它。”（圣杯：代指想要得而又得不到的珍貴東西）

利用這種“自然建筑過程”的最新目標(biāo)是制造超材料，即所謂的左手材料，這種材料具有自然界中不存在的有趣的光學(xué)性質(zhì)。

Mallapragada說：“我們正在使用有機(jī)模板來排列無機(jī)顆粒以獲得我們所需要的性質(zhì)。我們與Ames實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Costas Soukoulis和Thomas Koschny進(jìn)行了緊密的合作，他們在結(jié)構(gòu)的模擬和預(yù)測方面進(jìn)行了出色的研究，并開發(fā)了一些光刻結(jié)構(gòu)，但是這些工作只涉及到了材料的二維階段。只有利用這些生物素化方法將超材料的三維結(jié)構(gòu)情況重組而成，這項(xiàng)工作才能稱得上是完美的。”

Mallapragada再次指出，玻璃海綿的結(jié)構(gòu)才是構(gòu)建三維超材料所需的多尺度組裝類型。

她說：“海綿在多個尺度上都有順序——納米級、微米級、毫米級，這是一個多尺度的裝配方式。它看起來像埃菲爾鐵塔，這就是為什么它具有非常大的重量比。所以我們需要一個類似的層級結(jié)構(gòu)：首先定義納米級的形狀，然后在二維和三維層面上將這些納米尺度的物體進(jìn)行有順序的排列，從而獲得所需的性質(zhì)。”

除了使用具有長程有序的自組裝聚合物之外，研究人員還使用了DNA，因?yàn)樗梢员ＷC納米顆粒在放置時具有特異性。為了制造超材料，該團(tuán)隊(duì)正在考慮使用上述兩種材料將金納米顆粒放置在特定位置中，逐層建立，然后將一層金薄膜涂層覆蓋到整個結(jié)構(gòu)上以獲得我們所需要的性質(zhì)。

Mallapragada表示：“這個方法學(xué)科跨度特別大。我們有DNA方面的分子生物學(xué)家（Marit Nilsen-Hamilton），聚合物合成方面的材料化學(xué)家（Mallapragada），對結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論預(yù)測的專家Soukoulis和Koschny，以及對我們所能得到的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行建模的物理學(xué)家Alex Travesset。”

“我們需要良好的表征效果，因此David Vaknin正在研究散射方法，Tanya Prozorov一直在做透射電子顯微鏡方面的工作，”她繼續(xù)說。“Andy Hillier（化學(xué)/生物工程師）已經(jīng)參與到金屬化的研究中——在這些納米結(jié)構(gòu)模板上覆蓋了多層金膜，所以這是一個多層次、多步驟的多組分合成工藝。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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