基于Langmuir膜的双重调控仿生矿化界面的构建及其对无机材料的结构调控

Establishment of novel biomimetic mineralization interface system and study of its mechnism for structure control of inorganic crystals are significant to develope new biomimetic mineralization techniques for preparing inorganic crystals. In this project, a novel biomimetic interface system with dual regulation by both Langmuir monolayers and kinetic control will be constructed through introducing kinetically controlled diffusion of ammonia into a usual Langmuir monolayer biomimetic mineralization interface. The gas phase Langmuir monolayer at the very low surface pressure region will be adopted as a template to replace the one at the condensed phase region of traditional biomimetic mineralization system to direct the growth of inorganic crystals. The regulation of interface freedom is to be introduced into the interface system during the process of nuclei aggregation and crystal growth. The effects of the interface environment of Langmuir monolayers and the kinetic control factors on the nucleation, growth, aggregation and assembly behavior of Ba(NO3)2 and PbS crystals as well as the synergistic effect between Langmuir monolayers and kinetic control will be studied in detail. The effects of gradient- and freedom-regulation of biomimetic mineralization interface on the morphology and structure of inorganic materials and the basic mechanisms for the structural formation and morphology evolution of inorganic crystals during biomimetic mineralization process will be highlighted. Furthermore, based on the regulation of the interfacial properties of Langmuir monolayers, new biomimetic mineralization techniques will be explored and developed for preparing inorganic crystals with controllable structures.

构建新颖的仿生矿化界面体系并研究其对无机晶体结构的调控机制，对发展无机晶体材料仿生合成新技术具有重要意义。本项目通过在传统的Langmuir仿生矿化界面体系中引入气体扩散动力学控制手段，构建Langmuir膜和动力学控制双重调控的仿生矿化界面体系。改变以凝聚态区域Langmuir膜诱导无机晶体生长的惯例，以极低表面压区域的气态Langmuir膜为模板，引入晶核聚集、生长过程中的界面自由度调控，研究Langmuir膜界面环境和动力学控制因素对硝酸钡和硫化铅晶体成核、聚集、生长和组装行为的影响及两者间的协同效应。着重研究界面梯度和界面自由度对材料形貌和结构的调控作用，揭示仿生矿化过程中影响晶体结构选择和形貌变化的根本机制。探索和发展基于Langmuir膜界面性质调控的可控结构仿生矿化制备新技术。

构建新颖的仿生矿化界面体系并研究其对无机晶体结构的调控机制，对发展无机晶体材料仿生合成新技术具有重要意义。本项目通过在传统的Langmuir膜仿生矿化界面体系中引入气体扩散动力学控制手段，构建了Langmuir膜和动力学控制双重调控的仿生矿化界面体系。其中Langmuir膜的存在为矿化晶体的生长提供了热力学控制，而气体扩散形成的气-液界面则引入了晶体生长的动力学控制，通过二者优势的互补和协同，既可以使晶体生长条件更加接近自然界的生物矿化环境，从而加深对生物矿化机制的理解；同时又赋予了仿生矿化合成过程更多的结构调控方式和操纵手段。着重研究了碱式硝酸盐和硝酸钡晶体在双重调控界面上的生长过程，获得了一系列具有特殊结构特征的晶体材料，同时深刻揭示了Langmuir膜有机模板和气体扩散动力学控制两种调控作用分别对晶体生长的作用机制以及两者之间的协同效应。尤其是在硝酸钡体系中，气体扩散在界面上形成的pH值、表面张力梯度对晶体的生长起到了重要的调控作用，极大地改变了晶体生长和聚集的形态，产生了分形聚集结构。此项研究改变了长期以来Langmuir作为仿生矿化界面均匀性的根本特征，引入了梯度界面的概念。. 此外，改变以凝聚态区域Langmuir膜诱导无机晶体生长的惯例，以极低表面压区域的气态Langmuir膜为模板，引入晶核聚集、生长过程中的界面自由度调控，研究Langmuir膜界面环境和动力学控制因素对硫化铅晶体成核、聚集、生长和组装行为的影响及两者间的协同效应。着重研究界面梯度和界面自由度对材料形貌和结构的调控作用，揭示仿生矿化过程中影响晶体结构选择和形貌变化的根本机制。总之，本项目通过动力学控制手段的引入和Langmuir膜界面环境的调控，揭示了不均匀界面体系中晶体成核、聚集、生长的行为特征及界面梯度、界面自由度等因素对无机材料结构特征的调控机制，增进了对Langmuir膜诱导作用和动力学控制之间协同效应的理解，为无机材料的可控结构仿生制备提供相应的理论和实验基础，发展了一种基于Langmuir膜界面性质调控的可控结构仿生矿化制备新技术。