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了解自然、师法自然,进行材料的仿生合成,是近年来材料化学界的一大热点。一些原来与无机材料合成不相关的生物概念,诸如形态发生、复制、自组织、转录,协同和突变等等都为仿生矿化材料的合成提供了新的思路。本文在对仿生进行化学思考的基础上提出了利用活性生物膜法和仿生支撑液膜法控制无机矿物的析出。
首先,本文利用活性生物膜做为反应器,对碱土族碳酸盐的生长进行了研究,结果表明,豆芽生物膜对碳酸钙的晶型有很好的选择性,所有在该体系内制各的碳酸钙都结晶为亚稳定的文石,当引入一类有机小分子作为晶体生长修饰剂后,产物在保持亚稳文石的结构时,都出现了具有纳米亚结构的组装形貌,当修饰剂为柠檬酸时,产物为松花状,且每一朵松花都是由两种不同的纳米亚结构组装形成的。当修饰剂为NTA和EDTA时,产物形貌为纳米线组装形成的花朵和由纳米棒形成的树枝状。但是也同样由于生物膜的选择性,碳酸锶和碳酸钡的结晶控制并没有获得相似的结果。
其次,本文还利用支撑液膜的离子泵功能和无机/有机界面异相成核的独特条件,以和活性豆芽膜相同的同样条件,比较了碱土族碳酸盐的结晶生长情况,发现该反应体系能稳定另外一种亚稳的球霰石,结合修饰剂以后,也能形成多种形貌,但是相比较活性豆芽膜,它一般不存在纳米亚结构的组装形式。
另外,在上述研究的基础上本文还对活体豆芽膜的双模板特点进行了研究,以碱土族钨酸盐为对象,发现豆芽对产物形貌控制具有内外不同效应,内部产物都为棒状,这可能跟内部管状结构造成的空间限域效应有关,外部产物都为纳米球形,且它们的红外光谱研究结果表明产物具有明显不同于体材料的光学性质,都存在一定程度上的蓝移,这部分工作为开发钨酸盐纳米材料的应用作了有益的探索。