中国科学院理化技术研究所王树涛/孟靖昕团队《ACS Nano》综述：生物启发材料助力矿物粘附调控——从创新设计到多元化应用

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-23 08:22

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图1. 控制矿物粘附的生物启发材料的多领域应用

控制矿物粘附材料 是一种通过外部条件或内部结构来影响矿物的成核、生长和沉积等行为，从而实现对矿物粘附的有效控制。通常，这类材料可主要分为两大类： 促进矿物粘附的材料 和 抑制矿物粘附的材料 。近几十年来，控制矿物粘附材料的发展对工业生产、能源利用、生物医药、建筑工程、食品安全和环境管理等各个领域产生了深远影响。然而，从工业生产到生物系统等不同领域，控制材料表面的矿物粘附依然是一个多方面的挑战。近日， 中国科学院理化技术研究所—王树涛/孟靖昕 团队在 ACS Nano 上发表了题为“Bioinspired Materials for Controlling Mineral Adhesion: From Innovation Design to Diverse Applications”的综述文章（ DOI：10.1021/acsnano.4c16946 ）。

图2. 生物矿化过程中矿物粘附的生理调控

这篇文章全面概述了 生物启发材料在控制矿物粘附领域的最新研究进展 。自然界中的生物体在漫长的进化过程中，逐渐形成了适应不同环境条件和挑战的生物特性与适应机制，如生物矿化（图2）。文章首先详细介绍了自然界中具有代表性的可控矿物粘附生物材料，如沙堡虫、软体动物、骨骼、荷叶、猪笼草和跳虫等。这些材料根据其对矿物粘附的调控能力，可分为促进和抑制两大类，为设计调控矿物粘附的仿生材料提供了重要启示。接着，文章深入探讨了矿物与材料表面之间的粘附机制，以及最新的粘附表征技术，如石英晶体微天平、原子力显微镜、模块化通用表面测试仪、扫描电子显微镜组装的微机械臂和纳米压头设备等（图3）。随后，文章重点介绍了从分子水平到微纳米结构的仿生设计策略，这些策略赋予了生物启发材料用于调控矿物粘附的能力，主要涵盖了仿生矿化材料和仿生防垢材料。最后，文章深入分析了这些生物启发材料在新兴领域的应用，如工业生产、能源利用、生物医学、建筑工程和环境管理，强调了近期取得的突破以及仍需面对的挑战。

图3. 矿物粘附的表征方法

总的来说， 这篇综述文章为生物启发材料在矿物粘附调控的研究提供了全面的视角，展示了从基础研究到实际应用的广阔前景。 近年来，生物启发材料用于控制矿物粘附的研究虽然取得了显著进展，但仍面临着诸多挑战。未来的研究需深入揭示生物体中矿物粘附调控的分子机制，开发先进表征技术，创新合成策略以实现矿物粘附的精准调控，并将多功能性集成于材料体系，以满足复杂应用场景的多样化需求（图4）。由于生物启发材料在矿物粘附控制领域的研究常涉及材料科学、化学、生物学、环境科学与工程等多学科交叉，跨学科合作对于推动该领域的发展至关重要。随着研究的不断深入与创新设计，矿物粘附调控的仿生材料有望在材料科学领域发挥引领性作用，并对人类社会的可持续发展产生深远影响。

图4. 控制矿物粘附的生物启发材料的展望

该论文的第一作者为中国科学院理化技术研究所博士生陈伟，通讯作者为中国科学院理化技术研究所的 孟靖昕 研究员。本文得到中国科学院战略先导项目（XDB 0470201）、北京市自然科学基金（JQ23008）、国家自然科学基金（22275203，22035008）、和材料复合新技术国家重点实验室开放基金（2023-KF-16）的支持。

中国科学院理化技术研究所王树涛/孟靖昕团队《ACS Nano》综述：生物启发材料助力矿物粘附调控——从创新设计到多元化应用

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