極端仿生品 尋找天然材料的工程靈感

生產(chǎn)仿生材料和支架的生物啟發(fā)工程通常發(fā)生在微米或納米級。在一項有關(guān)“ 科學(xué)進步”的新研究中，Iaroslav Petrenko和一個多學(xué)科的全球研究團隊提出了使用天然預(yù)制的三維(3-D)海綿海綿支架來保留較大的厘米級樣本中分子細節(jié)的建議。在材料表征研究過程中，研究人員需要使用大型樣品來測試納米級特征。天然存在的膠原蛋白資源具有精細的結(jié)構(gòu)，可在高達1200 0的溫度下穩(wěn)定C有潛力生產(chǎn)多達4 x 10 cm的3-D微纖維和納米多孔石墨，用于表征和催化應(yīng)用。新發(fā)現(xiàn)表明，在渦輪層(未對準)的石墨中，三螺旋膠原的納米結(jié)構(gòu)特征得以保留。碳化海綿類似于原始海綿支架的形狀和獨特的微結(jié)構(gòu)。然后，研究人員對復(fù)合材料進行了銅電鍍，形成了一種在淡水和海洋環(huán)境中均具有優(yōu)異催化性能的混合材料。

極限仿生技術(shù)是尋找自然工程靈感的源泉，旨在為現(xiàn)有的合成策略提供解決方案。生物工程師和材料科學(xué)家的目標是創(chuàng)造出能夠抵抗苛刻的化學(xué)和熱微環(huán)境以模仿自然預(yù)制的3D結(jié)構(gòu)的無機-有機混合材料。例如，科學(xué)家已經(jīng)將海洋海綿用作生產(chǎn)模型系統(tǒng)，以開發(fā)具有可再生，無毒有機支架的新型，層次結(jié)構(gòu)化的3D復(fù)合材料。在6億年前的發(fā)展過程中，海洋海綿已經(jīng)生產(chǎn)了從厘米到米的各種構(gòu)造，目前在材??料研究中具有潛在的應(yīng)用。

海綿骨架的纖維成分稱為海綿蛋白，屬于膠原蛋白家族，由于其納米結(jié)構(gòu)組織和生物力學(xué)性能而成為材料工程的重點。從結(jié)構(gòu)上講，類膠原蛋白海綿具有多種含量，包括100 µm厚的單纖維和納米纖維，結(jié)合成具有高大孔隙率的復(fù)雜3-D分層網(wǎng)絡(luò)。由于海綿蛋白的熱穩(wěn)定性高達360 0 C，并且具有耐酸性，因此研究人員在水熱合成反應(yīng)中使用了海綿蛋白基支架來開發(fā)氧化亞鐵(Fe 2 O 3)和二氧化鈦(TiO 2)-)基復(fù)合材料，用于電化學(xué)和催化目的?？茖W(xué)家還碳化了海綿狀支架，以開發(fā)厘米級的二氧化錳(MnO 2)基超級電容器。

在材料科學(xué)的當(dāng)前趨勢中，科學(xué)家的目標是使用可再生和可生物降解的自然資源，大規(guī)模開發(fā)具有可控的微結(jié)構(gòu)和形態(tài)的碳材料。最近的研究建議結(jié)構(gòu)蛋白(例如角蛋白，膠原蛋白和蠶絲)適合在200 0 C至800 0 C甚至高達2800 0 C的溫度范圍內(nèi)碳化。然而，迄今尚未有關(guān)于海綿狀，即用型碳支架的研究，該支架具有分層的孔和3-D連接的骨架。

結(jié)果，Petrenko等。通過結(jié)合從納米級到厘米級的層級復(fù)雜性，開發(fā)了新型的3-D碳化海綿支架，能夠承受大于1200 0 C的溫度，同時保留納米級的結(jié)構(gòu)。該研究小組假設(shè)可以在高溫下將海綿素轉(zhuǎn)化為碳，而不會損失其形式或結(jié)構(gòu)完整性，從而有利于將其官能化成催化劑。在新工作中，他們詳細介紹了設(shè)計厘米級3-D碳化海綿Cu / Cu 2的首次成功工作。使用極端仿生策略的催化材料。然后，研究小組證明了該材料在淡水和海洋環(huán)境中有效催化4-硝基苯酚(4-NP)還原為4-氨基苯酚(4-AP)的能力。

科學(xué)家們首先加熱了海綿骨架以直接碳化它們。與天然海綿相比，碳化的海綿在體積上有所減少，但保持了3-D纖維外觀并增加了密度。然后，研究小組使用13 C核磁共振(NMR)光譜分析了碳質(zhì)材料，以了解其結(jié)構(gòu)化學(xué)。與以前的結(jié)果相比，研究小組發(fā)現(xiàn)這種材料類似于包含有序的類石墨疇的無定形石墨。他們使用X射線衍射(XRD)和拉曼光譜法證實了這一發(fā)現(xiàn)。研究小組使用高分辨率透射電子顯微鏡確認了石墨(從海綿蛋白中獲得)的成分(HRTEM)，快速傅立葉變換(FFT)和選擇區(qū)域電子衍射(SAED)技術(shù)。碳化海綿的電子能量損失譜圖(EELS)測量與以前的結(jié)果相對應(yīng)。

在納米級，石墨納米團簇產(chǎn)生了多孔結(jié)構(gòu)，Petrenko等人。我們使用碳化海綿的TEM(透射電子顯微鏡)顯微照片進行了研究，以發(fā)現(xiàn)基于膠原蛋白的纖維蛋白。他們觀察到了具有珍珠狀鏈和周期性的納米結(jié)構(gòu)，以及海綿蛋白碳化后膠原螺旋結(jié)構(gòu)的保留特征。傅立葉變換圖像顯示了納米級的六邊形晶格，科學(xué)家們證實了基于膠原蛋白的海綿蛋白向六邊形碳結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。然后，研究小組使用其他材料表征技術(shù)，系統(tǒng)地研究了碳化的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化。結(jié)果顯示了材料從碳到納米晶石墨的逐漸演化。

然后，研究小組測試了在CuCSBC存在下4-硝基苯酚(4-NP)還原為4-氨基苯酚(4-AP)的反應(yīng)。通常，4-NP構(gòu)成藥物染料和農(nóng)藥，它們作為有毒水污染物污染海洋生態(tài)系統(tǒng)。目前，模擬海水中4-NP的催化還原對全球的生態(tài)學(xué)家和環(huán)境保護機構(gòu)提出了巨大的挑戰(zhàn)。在目前的工作中，當(dāng)彼得倫科等人。在系統(tǒng)中加入5 mg CuCBSC，他們在2分鐘內(nèi)將模擬海水和去離子水中的4-NP還原為4-AP。科學(xué)家將CuCSBC的出色催化性能歸功于其3-D六角形和中孔結(jié)構(gòu)以及獨特的仿生碳質(zhì)載體。

以這種方式，Iaroslav Petrenko及其同事使用天然原料開發(fā)了具有催化活性的仿生材料。他們在混合碳化過程中使用膠原蛋白基質(zhì)設(shè)計了具有可控3-D微體系結(jié)構(gòu)的厘米級，機械穩(wěn)定的碳材料，并用銅涂覆了海綿狀熱解產(chǎn)物。研究人員在用Cu / Cu 2 O對所得的CuCSBC產(chǎn)品進行功能化后，保持了3-D碳的精細表面。該產(chǎn)品在5 0的模擬海水中顯示出異常的潛力和穩(wěn)定性。C和去離子水中。該團隊形成了一種可再生且穩(wěn)定的仿生CuCSBC催化劑，以從受污染的海洋環(huán)境中去除4-NP。材料工程技術(shù)在經(jīng)濟上是可行的;種植和種植海綿，并在實驗室中形成機械堅固的碳化版本。未來的研究將集中在材料體系結(jié)構(gòu)的原子尺度上，以提供進一步的見識，以形成優(yōu)化且更有效的生物啟發(fā)材料。