基于自然矿化过程启发的限域空间内无机材料的可控合成和机理研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

自然物质精妙的结构形成过程值得我们学习,从而发展材料的制备新技术。通常,陶瓷的合成和烧结都需要高温才能实现,而自然生物过程则在室温下即可完成。自然生物体器官能够控制晶体形核的位点、晶体学取向、生长中的晶体形状以及最终生成的物相,这些功能的实现都依赖于矿化过程中存在的有机成分,以及其在矿物晶体生长阶段起到的调节作用。譬如,鸟类的蛋壳中,方解石晶体在一个海绵状的基体中生长,晶体在细胞膜的特定位置形核,然后生长出球状多晶产物。海绵状的基体对矿化空间的细分导致了晶体沿着结晶方向向外生长。本毕业论文拟利用一种有机基质作为框架,通过有机-无机界面的分子识别来指导和控制无机物的矿化过程,从自然结构形成过程的启发来发展一种新的无机物合成技术。

生物矿化是生物系统通过有机模板直接合成无机结构的过程,是自然界中材料自组装的一个很好的例子。它的产品包括软体动物的壳和脊椎动物的骨头和牙齿。相比之下,传统的无机合成技术对无机材料体系结构的控制有限。在此,我们回顾生物模板领域的动机、机制理解、进展和挑战。我们强调了这一领域的跨学科性质,并调查了生物模板工程的广泛实例:从利用自然界蛋白质固有能力的策略,到利用生物分子自组装新能力的基因工程系统。在自然界中,生物组分的形成过程是在有限空间内受生物分子功能的时间和空间调控的。合理设计矿化体系,不仅要考虑封闭空间,而且要考虑生物分子,具有潜在的生产价值。

经过数十亿年的进化,生物已经变得非常有效地合成具有精致的形态和层次结构的生物络合物。生物络合物令人惊叹的结构形成过程可以激发制造新材料的各种先进技术。从生物矿化的形成过程中学习,提出了“生物过程启发制造”的概念。生物组成的自然过程是暂时的和在生物分子的作用下进行空间调控出来的空间。人们相信可溶性蛋白质决定一切生物组分在一定空间内的形态、取向和多态性。生物分子和反面空间是生物矿物精细结构和形态中不可缺少的两个因素,并发挥着互补作用。但是,仅考虑生物分子可能导致产品在体外尺寸和结构的可控性较低。类似地,只利用巧妙控制的空间可能产生成分和形态不稳定的产品。因此,为了深入研究自然形成过程,有必要选择一种合适的系统来结合这两个因素来指导材料的合成。

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2. 研究的基本内容与方案

本实验拟采用细菌培养基作为有机模板进行矿化反应,通过测试无机物的性能来确定实验的成果,具体的实验方案如下

实验方案:

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3. 研究计划与安排

第1-3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4-7周:设计并进行有机基质框架下的生物矿化/矿物晶体生长实验,研究有机基质框架的空间控制作用下无机晶体的成核和生长,探讨局域化学控制的矿化动力学过程;

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4. 参考文献(12篇以上)

1.l. mao, h. gao, h. yao, l. liu, h. couml;lfen, g. liu, s. chen, s. li, y. yan, y. liu, s. yu. synthetic nacre by predesigned matrix-directed mineralization. science, 354, 107-110 (2016)

2. fratzl, r. weinkamer, nature’s hierarchical materials. prog. mater. sci. 52, 1263–1334 (2007)

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