[综述]从自然中汲取灵感：生物启发的多孔矿物基复合材料

[综述]从自然中汲取灵感：生物启发的多孔矿物基复合材料

材料科学的研究一直在探索如何通过结构和成分的优化来开发高性能材料。自然界中的生物材料，如贝壳、牙齿等，具有惊人的机械强度和功能性，这些优异的性能来自其复杂的微观结构。这些天然材料的独特设计启发了科学家们去开发人造材料，以期在工程应用中实现相似的强度、韧性和多功能性。

自然界是无尽的灵感源泉，特别是在材料科学领域，生物材料通过数百万年的进化，发展出高度复杂且功能齐全的结构。生物矿化过程中的自组装和调控机制，使得这些材料能够兼具强度、韧性与多功能性。例如，骨骼、贝壳和牙齿等生物材料，展现出非凡的结构性能，这种优越的特性主要归功于其精细的微观结构设计。

生物启发的设计原理

生物矿化是指生物体通过复杂的生化过程将矿物质沉积到有机基质上，从而形成坚硬的结构。这一过程在许多生物体中都有体现，例如，贝类利用钙化作用形成硬壳，骨骼则通过矿物质沉积形成高强度的支撑结构。这些天然材料通常具有分层结构、多孔网络及复杂的纳米尺度设计，赋予其出色的机械性能和功能性。

Figure 2 Porous biominerals composed of calcium carbonate, calcium phosphate, and silica.

文章系统地总结了多孔矿物基复合材料的生物启发设计原理。通过借鉴自然界中生物材料的微观结构，研究者可以在合成材料中再现这些复杂的结构特征。例如，层状排列、微孔和纳米孔的结合设计，能够使人造材料在保持轻量化的同时，具备较高的强度和韧性。此外，通过精确控制合成条件，还可以在材料中引入功能性，使其适应不同的应用需求，如可调控的孔隙结构和表面化学特性。

材料制备方法

在材料制备方面，生物启发的方法提供了丰富的思路。自然界中的生物矿化过程往往是在温和的条件下进行的，且通过有机物与无机物的协同作用，形成稳定的矿物结构。研究者通过模仿这些天然过程，开发出了多种新型材料合成方法，这些方法能够在低能耗的条件下制备功能丰富的复合材料。

Figure 8. Comparison of natural (top) and synthetic (bottom) porous composites.

文章中详细讨论了多种生物启发的制备技术，例如湿化学合成、模板法和自组装技术。这些方法不仅能够精确控制材料的微观结构，还能够通过调控反应条件，实现材料性能的优化。例如，在湿化学合成中，研究者可以通过调整溶液中的离子浓度、温度和pH值，精确控制矿物质晶体的生长过程，从而实现多孔结构的生成。而模板法则通过预先设计的有机模板，诱导矿物质在模板表面沉积，最终形成复杂的孔隙结构。

性能与应用

生物启发的多孔矿物基复合材料由于其独特的微观结构设计，在多个性能指标上表现出色。首先，这些材料在机械性能上具有明显优势，特别是在需要兼具高强度与轻质化的应用中。通过模仿生物材料的分层结构和孔隙网络，研究者能够制造出强度高、韧性好的复合材料，适用于多种工程结构和机械部件。

其次，多孔结构赋予了这些材料优异的功能性。孔隙的存在不仅增加了材料的比表面积，还为材料的表面改性和功能调控提供了可能性。例如，在能源存储领域，这些材料作为电极材料，能够通过其高比表面积提升电池的能量密度和循环寿命。在环境保护方面，多孔矿物基复合材料展现出良好的吸附能力，能够用于污染物的捕捉和去除，在水处理和空气净化中具有广泛的应用前景。

此外，这些材料在催化剂载体方面也表现出色。通过多孔结构的设计，材料可以容纳并稳定催化活性物质，从而提高催化效率。综述文章中还提到了这些材料在药物递送、传感器开发等领域的潜在应用，展示了生物启发材料在多领域的广泛应用前景。

挑战与未来展望

尽管生物启发的多孔矿物基复合材料展现出巨大的应用潜力，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，如何在大规模生产中保持材料的微观结构精确性是一个关键问题。虽然实验室级别的合成技术能够实现材料的精细控制，但在工业化生产中，维持这种精度和性能需要进一步的技术突破。

Figure 15. Schematic illustration of processes that offer structural control at different length scales.

此外，这些材料在复杂环境下的长期稳定性也需要进一步研究。例如，在能源存储和环境净化应用中，材料可能会经历多次循环使用，因此其化学稳定性和机械性能的耐久性是未来研究的重要方向。

文章提出了未来的研究方向，作者强调了通过多学科合作，整合生物学、化学、材料科学等领域的知识，将有助于克服这些挑战。通过进一步理解生物矿化的基本机制，并将其应用于材料设计中，未来的材料科学研究将能够开发出更为先进的多孔复合材料。

结语

这篇综述文章系统地总结了生物启发的多孔矿物基复合材料领域的最新进展，展示了模仿自然界材料设计的巨大潜力。通过从自然中汲取灵感，研究者能够开发出具有优异性能的新型复合材料，在能源、环境、催化等多个领域展现出广阔的应用前景。尽管仍有许多挑战需要克服，但生物启发材料设计为未来的材料科学研究提供了新的方向，也为可持续发展和高性能材料的开发奠定了坚实基础。

EDMX research day, 2023.