生物成因纖維狀文石集合體的結(jié)構(gòu)表征及其仿生制備.pdf

1、碳酸鈣是自然界最豐富的生物材料，廣泛存在于生物體中（如骨骼、珊瑚、貝殼等），同時(shí)也是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用最重要的無(wú)機(jī)材料之一，被廣泛用于橡膠、醫(yī)藥、新型建材等領(lǐng)域。其中，文石型碳酸鈣具有優(yōu)越的機(jī)械、化學(xué)、光學(xué)性能，是各種催化劑、無(wú)機(jī)填充料的首選。因此，研究和制備具有各種特殊性能的生物成因文石型碳酸鈣材料的意義重大。本文以雙殼綱華貴櫛孔扇貝的韌帶和施氏獺蛤的表殼層為研究對(duì)象，利用X-射線(xiàn)衍射技術(shù)(XRD)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、常規(guī)氨

2、基酸分析法、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)組成分析和微結(jié)構(gòu)表征。重點(diǎn)利用韌帶的蛋白質(zhì)層和施氏獺蛤的凝膠層，采用氣體擴(kuò)散法，在常溫常壓且不添加任何外加劑的條件下，仿生制備文石晶體材料。采用FTIR、SEM和TEM研究形成的文石晶體，分析并模擬其形成過(guò)程，最后探索凝膠中楊桃形晶體的形成機(jī)理及其潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　本文獲得以下幾方面主要成果:
　　(1)首次在韌帶中發(fā)現(xiàn)“串珠狀”文石纖維集合體。

3、扇貝韌帶礦化層主要為文石纖維集合體，纖維（直徑40-120 nm）由大量納米顆粒沿纖維長(zhǎng)軸相互粘結(jié)形成，呈獨(dú)特的“串珠狀”。組成纖維的納米顆粒均為文石單晶，其結(jié)晶定向一致，C軸平行于纖維的生長(zhǎng)方向([001])。
　　(2)發(fā)現(xiàn)施氏獺蛤表殼層內(nèi)表面有一個(gè)銀白色的礦物層，其礦物為文石型碳酸鈣。顯微觀察表明，礦物層中存在著兩種不同的晶體集合體:大的球體（直徑20μm-70μm）和小的梭形體，小的梭形體鋪在基底上，而大的球體則生長(zhǎng)在梭形

4、體上。兩者均由文石纖維組成，HRTEM分析顯示纖維為文石單晶，晶體c軸平行于纖維的生長(zhǎng)方向([001])。纖維橫截面多呈長(zhǎng)六邊形，且其邊緣包裹著一層厚度不足10nm的有機(jī)質(zhì)。分析推測(cè)大的球體是由小的梭形晶體緊密堆積形成的。
　　(3)僅以韌帶蛋白質(zhì)為基底，不添加任何添加劑，能在常溫常壓的條件下誘導(dǎo)生成純文石晶體。成熟的文石晶體呈花束狀，由文石纖維組成。文石纖維為單晶，且結(jié)晶定向一致，c軸平行于纖維的生長(zhǎng)方向，與韌帶礦化層中的文石纖

5、維極為相似。同時(shí)纖維包裹著一層有機(jī)質(zhì)，由此推測(cè)有機(jī)質(zhì)在文石纖維的形成中起著重要的作用。
　　(4)利用生物凝膠為基底，以同樣的方法也能合成純文石晶體。在比較分析下，首次發(fā)現(xiàn)了楊桃形文石晶體，且這些晶體由大量的文石納米顆粒呈階梯狀定向粘結(jié)形成。
　　(5)探索楊桃形文石晶體的成因機(jī)理。楊桃形晶體成因由三方因素共同控制:一、驅(qū)動(dòng)力。加入生物凝膠后，溶液的過(guò)飽和度增大，導(dǎo)致了驅(qū)動(dòng)力增大，從而粘結(jié)生長(zhǎng)模式控制著晶體生長(zhǎng)，形成規(guī)則對(duì)稱(chēng)