留学基金委—乔治敦大学博士后奖学金项目开始申请

称

国内外在这方面研究的现状: 众所周知，生物矿化过程是在温和的生物体内条件下形成具有复杂形态、结构和优异性能的生物矿物的过程。已有的研究结果表明：生物矿物的形貌、大小及结构等受到生物大分子在内的有机组分的精巧调控。受此启发,利用生物矿化的基本原理来实现特殊形态无机材料的仿生合成逐渐成为国际材料科学领域的一个前沿课题。其研究重点在于：在温和的条件，模拟生物体内的有机组分作为调控剂以及生物分子自组装形成的有序组合体作为模板的功能来实现无机矿物或晶体的形貌与结构等的精细调控。所涉及的有机基质有从生物体内提取相关的生物大分子或生物组织，以及人工设计合成的功能性有机分子（如表面活性剂、多肽和双亲大分子等）。经过多年的努力，人们在该领域取得了巨大的突破，许多具有新颖形貌及特定性能的无机材料不断地被合成出来，但构建新颖的结构化有机模板仍是仿生合成研究面临的一个挑战。另一方面，在无机纳米材料的合成方面，溶液法由于具有简单、普适性强等优点而得到广泛应用，但长期以来溶液法在调控粒子形貌等方面面临较大困难。近年来的研究表明通过借助于溶液中特定有机分子的软模板作用，可以有效调控纳米粒子的形貌，这方面新颖的研究结果不断涌现出来。但整体看来，这方面系统性的研究工作仍不多见，尤其对于溶液相合成纳米材料过程中聚合物的软模板作用尚缺少深入的了解。

项目的科学意义、学术价值、应用前景：生物矿化是一个有机基质全程参与调制的极其精细的过程。基于生物矿化原理来合成无机材料的仿生合成工程, 则是一种全新的材料设计和制造策略,目前它已成为生物科学、材料科学、医学、矿物学、化学等众多学科的研究热点。如何巧妙地选择适宜的无机物沉积模板是实现仿生材料合成的一个关键问题。本项目第一部分集中在用简单的方法来构建具有特定功能的结构化聚合物模板，来实现无机材料的可控成核与生长。这将有助于更加深入理解生物矿化过程的发生，而合成得到的有机/无机杂化功能材料以及孔径可控的大孔无机粒子在微电子工业、微制造、催化、吸附分离等方面有潜在的应用价值。另一方面，纳米技术以其带给人类的全新的对物质领域的认识,无疑正在掀起一场技术革命。在纳米材料科学领域，材料的纳米结构与性能之间的密切关系促使人们为实现纳米材料形貌的可控合成而不懈努力，在本项目第二部分我们将致力于研究溶液相中对纳米材料形貌的有效调控，尤其侧重于在溶液中利用聚合物的软模板作用来合成具有特定形貌的无机纳米材料。

1．基于结构化聚合物模板的仿生合成：

  1）通过层层组装的成膜法和光刻蚀成像技术的结合，将具有光、电、磁、催化等功能性的组成和感光性的重氮树脂组装引入到复合的超薄膜中，且膜的表面功能基团（如-so₃^-、-co₂^-、-oh）可由相应的聚电解质或多电荷组分来实现。然后以此为模板来考察生物矿物或无机晶体在微图像化自组装超薄膜上的定向沉积和可控生长。

2）      将合适的“活性组分“（带有-so₃^-、-co₂^-、-po₃^-基团的单体）与异丙基丙烯酰胺共聚以形成具有微孔结构的智能性水凝胶，进而以其为反应微环境来调控无机材料的合成。

     3）将表面带有电荷的单分散乳胶粒加入到反应体系中，利用乳胶粒与反应前驱体或中间生成物的相互作用从而将乳胶粒引入到目标产物中，烧结或溶剂溶解去除乳胶粒模板就可得到具有规则形貌的、孔径可控的大孔无机材料。

2．基于聚合物软模板的纳米材料合成：

1）首先考察无模板的情况下，在溶液相中直接利用组分之间的配位自组装来制备形貌可控的一维无机纳米结构。如向含有金属离子（如cu²⁺）的溶液中加入配体（如nh₃.h₂o）和碱溶液，或将金属片浸入到合适的介质中，利用金属氧化释放出的金属阳离子在金属片表面发生定向沉积和生长来制备相应的金属氧化物/氢氧化物纳米材料。

2）在上述工作的基础上，引入适当的聚合物添加剂，利用其软模板作用来调控纳米材料的形貌，并进而实现初级纳米结构基元的有序组装。

计划一年之内完成本项目，大致安排如下：

1．  查阅文献，确定研究思路：2个月

2．  实验研究的全面展开：8个月

3．  实验结果，实验数据的整理以及研究成果的发表：2个月

目前的研究进展情况：

1．基于结构化聚合物模板的仿生合成：1）已成功构建了含有多种功能基团的微图像化超薄膜，实现了方解石薄膜在微图像化的自组装多层膜上的取向生长，该内容以快报形式发表在langmuir 上，其它无机矿物或晶体在该模板上的可控生长正在进行中；2）用含有羧酸官能团的乳胶粒为致孔剂（模板）制备了新颖的具有多孔结构的caco₃单晶粒子，结果正在整理发表之中。该方法正扩展到制备孔径可控的其它无机微粒（如cu₂o）。

2．基于聚合物软模板的纳米材料合成：在溶液相中实现了cu(oh)₂的纳米线和纳米带的可控合成，并且在聚合物存在下实现了cu(oh)₂纳米棒的有序组装，同时研究了利用cu(oh)₂转化制备cuo纳米材料，相关的研究成果已根据审稿人的意见小改后返回j. phys. chem. b编辑部。

参加该项目工作的科研人员简况：

合作导师齐利民教授，全国百篇优秀博士论文奖,中国化学会青年化学奖和国家杰出青年基金获得者，在物理化学和材料化学领域有丰富的科研经验。

马季铭教授，中国化学会胶体化学学科组组长，物理化学及胶体化学领域的专家。

参加本项目的科研人员还有几位在读的博士研究生和本科生，他们均具有较高的科研素质和较强的科研能力，完全能够适应本项目的工作。

学校已具备可使用的仪器有：扫描电子显微镜（sem），环境扫描电子显微镜（esem），透射电子显微镜（tem），高分辨透射电子显微镜（hrtem），x射线衍射（xrd），光电子能谱（xps），红外光谱（ir），激光拉曼光谱以及热分析（dsc）等大型精密仪器。基本的实验材料和图书资料已具备。但是实验中使用一些大型仪器设备时通常需要支付较多的测试费。

主要用于支付大型仪器设备的测试费用，以及购买必需的实验试剂和相关的专业资料，具体用途如下：

1．  买必需的实验试剂： 3000元

2．  图书及文献资料费： 2000元

3．  配置小型实验设备： 3000元

4．  大型仪器使用费用： 12000元

5．  总           计：  20000元

仿生材料化学是当前材料化学的一个前沿研究领域，在国际上日益引起人们的关注。仿生材料化学的核心思想在于利用有机分子及模板来对无机物的成核、生长及组装过程进行有效的调控，从而制得具有特殊形态及功能的新型无机（复合）材料。本项目拟深入开展基于多种聚合物模板的仿生材料合成研究，构思新颖，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。

本项目拟用简单的方法来构建具有特定功能的结构化聚合物模板，进而实现无机材料的可控成核与生长。提出通过简单而普适性强的层层组装技术来构建多层超薄膜，进而以其作为结构化的有机模板来实现无机物在该模板上的定向沉积和取向生长；尝试以单分散的乳胶粒作为致孔剂制备具有规则形貌的、孔径可控的大孔无机单晶粒子。此外，还将致力于研究溶液相中对纳米材料形貌的有效调控，尤其侧重于在溶液中利用聚合物的软模板作用来合成具有特定形貌的无机纳米材料。预期能够实现对若干无机薄膜、晶体及纳米结构的形貌调控，并初步揭示不同条件下聚合物模板的作用机制。

申请人具有扎实的高分子化学和纳米材料科学方面的背景知识，思维活跃，工作勤奋努力，迄今作为第一作者已在chem. commun.、adv. funct. mater.、langmuir等国外重要学术刊物上发表论文8篇。值得一提的是，鲁从华博士在进入本课题组开展博士后研究工作的不到一年时间内，已在若干研究方向上取得重要进展，例如他的关于微图像化的自组装多层膜上取向生长方解石薄膜的工作已经以快报的形式发表在langmuir上，另有一项关于溶液中cu(oh)₂一维纳米结构形貌调控的工作也获得j. phys. chem. b审稿人的好评，可望近期内接受发表。这表明他具有较高的学术水平和很强的独立研究能力。如果本项目得到批准，预期他将在这一重要研究领域取得更多有价值的研究成果。