光驱动下的矿化过程及机理研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

仿生材料是近二十年里材料科学研究的热点。主要思想和方法是:发现和研究自然物质特殊或者有意义的结构和功能,然后通过各种制备手段获得类似结构的材料,进而得到类似的功能。众所周知,制备加工( processing)、结构( structure)、 性能( property)和服役性能( performance) 称之为材料科学与工程的四个基本要素。实际上,自然界生物物质世界具有类似的四要素,仿生材料是学习自然生物结构、或者生物结构-性能的关系,采用实验室技术获得类似的结构,从而得到类似的性能。自然物质精妙的结构形成过程值得学习,以发展材料的制备新技术。其主要思想和方法是“从自然物质的结构形成过程中得到启示、找到灵感,发展材料的合成与制备新技术”。“ 材料的过程仿生制备技术”学习的是自然制造过程、或者自然制造过程-生物结构的关系。这是与“仿生材料”在概念和研究思路上的不同,“仿生材料”学习的是自然生物结构、或者生物结构-性能的关系。

生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。与一般矿化最大不同在于有 生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。 是生物形成矿物的作用,是生物在特定的部位,在一定的物理化学条件下,在生物有机物质的控制或影响下,将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。

光合作用是另一种室温下完成的生物合成过程,其核心是二个光系统(光系统Ⅰ和光系统Ⅱ) 的捕光与激发、电子传输、以及在活性位点上的氧化还原反应。 我们可以从光合过程中找到灵感,利用自然和模拟光系统、以及光生电子和空穴,发展新的材料合成技术。

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2. 研究的基本内容与方案

本设计工作预期将在生物质与材料界面效应对结构形成过程的影响与调控、光系统和光电子与空穴应用于合成无机物质的人工光合反应、光合作用与生物矿化的耦合效应等方面,揭示新机制和规律、发现新现象,以此发展合成与制备技术,发展新结构和新材料。

1) 光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程

本设计拟选取典型的无机矿物(碳酸钙、磷酸钙)作为研究对象,选取合适的钙源、碳酸盐、磷酸盐,通过蠕动泵设备精细控制原料的滴入速率,较好地控制晶体的矿化速率,优化有机过程调控剂(蛋白,多聚物等)的组成和浓度、矿化时间、滴加顺序等生物矿化的工艺条件,构建可实现结晶过程精确捕捉的最佳矿化体系。利用光合成制备系统,设计光驱动下的碳酸钙、磷酸钙的矿化体系。采用 xrd、 fesem、 tem、 ftir、拉曼光谱等多种测试手段相配合,系统研究熟知无机矿物在光驱动下的晶化过程、晶相转变、择优生长及各个阶段的晶体结构和形貌变化。通过改变光照条件(光强、光频率、光照时间等),调控目标产物的结晶速率、晶化过程、晶相转变、结构形貌等,建立光照条件—矿化过程(结晶速率、晶化过程、晶相转变) — 材料显微结构特征之间的相互关系,揭示光照(光电子与空穴传递)对无机矿物的矿化过程、晶体结构及形貌的调控规律。对比非光照条件下的目标产物的矿化动力学过程及其经典矿化理论,探索光电子与空穴辅助下的目标产物的结晶路径,从理论上论证光电子与空穴辅助下的矿化动力学过程,为全新、高效的材料制备方法提供理论依据及数据支撑。

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3. 研究计划与安排

第1-6周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告;
第7-9周:借助光合成制备系统,设计光驱动辅助下的生物矿化实验,,研究光辅助下的碳酸钙或磷酸钙矿化动力学过程;

第10-12周:掌握光系统与生物矿化耦合条件下,无机材料的晶体结构和形貌
的演变过程,揭示耦合效应对材料形成的调控规律 ;
第13-17周:总结试验数据,完成并修改毕业论文;
第18-19周:准备毕业论文答辩。

4. 参考文献(12篇以上)

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