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Progress in Materials Science发表傅正义教授团队综述论文

更新日期:2020-01-03

  

  近日,傅正义教授团队撰写的“Bioprocess-inspired fabrication of materials with new structures and functions”综述文章在国际知名学术期刊Progress in Materials Science2019, 105, 100571)上发表,这是傅正义教授团队提出材料的过程仿生制备技术(Bioprocess-inspired fabrication)”的研究方向以后,首次对该方向的内涵、研究思路和国内外的研究进展进行评述和展望。

  自然物质往往具有奇特和优异的性能。向自然学习,近二十年来形成了一个前沿和热点研究方向仿生材料(Bio-inspired materials仿生材料的主要思想和方法是:观察和发现自然物质奇特和优异的功能特性,分析带来这些功能特性的独特微观结构,然后采用各种制备手段获得类似的微观结构,从而得到与自然物质类似的功能性能。比如学习荷叶表面的微纳等级结构,制备出表面超疏水的新材料;学习贝壳珍珠层的无机/有机(brick-and-mortar)叠层结构,制备出高韧性的层状复合材料;学习蜘蛛丝表面的粗纺锤-细连节周期性微结构,制备具有珍珠项链式挂液滴的人造丝;学习蝴蝶翅膀的微结构,制备出具有结构色和光功能的新材料等等。

  更进一步考虑,自然物质的结构形成过程也是数十亿年进化和自然选择的结果。通常,自然物质可以在室温下完成结构形成过程,生长出精妙的微结构,得到独特的功能。一个非常有趣的例子是鲨鱼牙的生长过程,鲨鱼牙的生长和替换极为频繁,替换频率约为10多天。据统计,一条鲨鱼在10年的寿命里替换20000颗牙齿[11]。为什么鲨鱼牙比人牙生长速度快得多?是某一种生长因子的作用?鲨鱼牙生长的生物环境使其长得更快?鲨鱼牙的微结构更容易搭建和形成?材料科学家应该可以从鲨鱼牙的结构形成过程中学习一些有用和独特的东西,从而启发和创新材料合成与加工技术。基于这些分析,傅正义团队认为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。为此,提出了一个新的研究方向“Bioprocess-inspired fabrication”(生物过程启示的制备技术,也称为材料的过程仿生制备技术)。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

  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。材料的过程仿生制备技术仿生材料不同,它主要是学习自然制造过程、或者自然制造过程-生物结构的关系,从而发展和创新材料合成与制备技术,如图1



1 “材料的过程仿生制备技术仿生材料概念和研究思路的不同


  传统陶瓷的烧结制备往往需要高温才能实现,而自然物质在室温下即完成结构形成,得到精妙的微结构。例如,贝壳、牙齿等在室温下生长,但是却具有与高温烧结陶瓷相媲美的力学性能。材料的过程仿生制备技术给予我们两个美妙的预期,一是学习生物制造过程,发展全新的室温、或者低温材料合成与加工技术;二是由生物结构形成过程得到启迪,创新和发展已有的材料制备技术。见图2



2 材料的过程仿生制备技术可能带来的美妙预期


  傅正义教授团队在前期研究中,认为值得学习的典型自然制造方法包括:生物矿化过程、光合过程和其它生物过程,提出了在该领域开展工作的研究计划如图3。前期探索研究工作在材料和化学顶级期刊上发表了多篇论文。首次利用天然生物活体(生产珍珠的贝壳)作为合成平台,室温下制备出具有等级孔结构和优异光催化性能的氮掺杂锐钛矿纳米晶粒。与传统矿化理论认为的细胞外蛋白指导矿化不同,他们发现和证实了新的矿化机制,即细胞内蛋白指导了锐钛矿的室温晶化(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3031)。基于矿化机制发展了新的制备方法,利用细胞展示技术将nR5蛋白片段在大肠杆菌表面展示,并以此表面作为限域空间,指导了纳米颗粒组装的杆状锐钛矿的合成,其作为锂电池材料具有优异的性能(Chem. Sci., 2016, 7, 6330)。在光合作用启示的合成方面,通过学习光合作用的关键过程,光驱动下制备出具有核壳结构的Au@PtAum及尺寸可控的MoS2纳米颗粒,分别具有优异的电催化和光催化性能(J. Mater. Chem. A, 2016, 4,18983; Nanoscale, 2019, 11,11451)。在生物过程启示的微增材制造方面,通过学习牙釉显微结构的自然微增材制造过,制备出了与天然牙釉力学性能相当的多层有机-无机复合材料(Adv. Funct. Mater. 2019, 1904880)。



3 开展过程仿生制备技术的研究计划


  本文对傅正义团队和国际上其它研究组近期在本领域的研究工作进行了评述和展望。主要内容包括:生物矿化启示的合成与制备:自然生物体指导的合成,提取生物体指导的合成,重组蛋白指导的合成,模拟蛋白功能的有机质指导的合成,基于矿化机制的新制备方法,生物过程启示的增材制造;光合作用启示的合成与制备:天然光合系统和/或模拟光合系统III用于人工合成,无机光合系统用于材料合成;其它生物过程启示的合成与制备:基于天然生物平台的制备,光合作用与生物矿化相结合的合成与制备。过程仿生制备技术的跨学科性、前沿性和新颖性,将对材料科学、生命科学、化学及其它相关学科带来有益的影响。

  Progress in Materials Science是材料科学领域最具权威的综述期刊,刊载材料科学当前最重要的研究进展和评论,其5年平均影响因子为33.018。本文的发表,显示出过程仿生制备技术的重要性和发展潜力,也是国际权威期刊对这一新研究方向的肯定。

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.05.004