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傅正义教授团队在国际知名学术期刊Progress in Materials Science上发表综述

发布作者:admin
发布时间:20-01-06

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 Science(2019, 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。

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。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”。

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”与“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。


“材料的过程仿生制备技术”与“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,得到精妙的微结构和优异的力学性能。“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。

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。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)。

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。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。

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