大自然的馈赠——超材料制备的灵感
2017-07-24 11:13:44
作者：本网整理 来源：材料科技在线
图中所示为一个玻璃海绵的骨架，展现了其复杂的天然结构，这种结构为海绵提供了惊人的强度。 图片来源：布朗大学凯撒实验室的Michael Monn（PS：玻璃海绵主要特征为具有矽质骨针，并集结成纤巧的几何网络。主要见於深海泥底。）
大自然为我们提供了无数的关于材料以及结构的例子，这些例子证明了，那些材料以及特定的结构是为了适应环境或者满足某些要求而逐渐形成的。隶属于美国能源部的Ames实验室成立了一个跨学科的研究小组，该小组正试图解开生物体构建自身复杂结构的秘密，他们期待着能够利用这种方法来制造自然界中未被发现且不能通过常规手段合成的材料。
Ames实验室科学家、爱荷华州立大学化学与生物工程学院的Carol Vohs Johnson主席Surya Mallapragada说：“自然界中有很多这样的拥有层级结构的例子，但通常它们都是有机——无机复合材料。而玻璃海绵骨架却是最好的一个例子，它形象地展示了由有机相模板化同样可以形成这种结构。你也可以使用无机纳米晶体重构这些结构，但这属于一种多尺度组装工艺，在大多数情况下反应只有在适宜的温度、温和的条件下才能进行，如pH值。”
Surya 对这项研究的看法是：“我们寄希望于大自然，希望可以从大自然中获得灵感，并将其作为生物分子的源头，来研究我们如何才能掌握一些制造技术，从而得到这些拥有着分层结构或结构均匀的完美材料。”该研究项目获得了DOE -BES生物分子材料项目的赞助支持。
到目前为止，Mallapragada的团队通过对磁性细菌的研究已经能够复制磁铁矿的生长过程。这些细菌可以生成磁性纳米晶体或纳米晶体链，通过这些磁性纳米晶体，细菌可以利用地球磁场判断自身的方位。利用自组装聚合物模板以及提取自细菌中的蛋白质，研究人员能够培养磁铁矿晶体。
Mallapragada说：“我们使用这种方法已经成功地生长出磁铁矿纳米晶体，但是我们并没有局限于此，我们还利用这些技术来制造钴铁氧体和其他在自然界没有发现的磁性纳米晶体，这是一个很好的关于模板化合成技术的例子。”
该团队还对磷酸钙进行了研究，尝试着模拟骨骼中发现的轻质高强结构。
Mallapragada说：“在某些情况下，我们需要使用具有相同功能、但强度更高的合成类似物。大多数情况下，生物分子强度低，蛋白质分子易碎，因此如果我们可以使用合成聚合物，那么这将给我们带来更多的灵活性。”
制造纳米晶体是一回事。利用纳米晶体重组并形成微观结构，乃至最后形成宏观尺度的结构是另外一回事。
Mallapragada解释说：“这跟我们在自然界中所看到的那些结构的复杂程度完全不在一个层次——这就如同圣杯一样。但是这是灵感，我们正在用合成的方法来实现它。”（圣杯：代指想要得而又得不到的珍贵东西）
利用这种“自然建筑过程”的最新目标是制造超材料，即所谓的左手材料，这种材料具有自然界中不存在的有趣的光学性质。
Mallapragada说：“我们正在使用有机模板来排列无机颗粒以获得我们所需要的性质。我们与Ames实验室的物理学家Costas Soukoulis和Thomas Koschny进行了紧密的合作，他们在结构的模拟和预测方面进行了出色的研究，并开发了一些光刻结构，但是这些工作只涉及到了材料的二维阶段。只有利用这些生物素化方法将超材料的三维结构情况重组而成，这项工作才能称得上是完美的。”
Mallapragada再次指出，玻璃海绵的结构才是构建三维超材料所需的多尺度组装类型。
她说：“海绵在多个尺度上都有顺序——纳米级、微米级、毫米级，这是一个多尺度的装配方式。它看起来像埃菲尔铁塔，这就是为什么它具有非常大的重量比。所以我们需要一个类似的层级结构：首先定义纳米级的形状，然后在二维和三维层面上将这些纳米尺度的物体进行有顺序的排列，从而获得所需的性质。”
除了使用具有长程有序的自组装聚合物之外，研究人员还使用了DNA，因为它可以保证纳米颗粒在放置时具有特异性。为了制造超材料，该团队正在考虑使用上述两种材料将金纳米颗粒放置在特定位置中，逐层建立，然后将一层金薄膜涂层覆盖到整个结构上以获得我们所需要的性质。
Mallapragada表示：“这个方法学科跨度特别大。我们有DNA方面的分子生物学家（Marit Nilsen-Hamilton），聚合物合成方面的材料化学家（Mallapragada），对结构进行理论预测的专家Soukoulis和Koschny，以及对我们所能得到的结构类型进行建模的物理学家Alex Travesset。”
“我们需要良好的表征效果，因此David Vaknin正在研究散射方法，Tanya Prozorov一直在做透射电子显微镜方面的工作，”她继续说。“Andy Hillier（化学/生物工程师）已经参与到金属化的研究中——在这些纳米结构模板上覆盖了多层金膜，所以这是一个多层次、多步骤的多组分合成工艺。”
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