利用胶原蛋白的逆向生物矿化机理合成新型超材料

The rise of the nanotechnology has subverted our conventional concepts about materials and has been attracting numerous top scientists to conduct fundamental research on the mesoscale, which results in the successful development of many new functional materials. In this new filed, metamaterials are the most attractive ones and are of the best market potential as well. In general, metamaterials are the kind of artificial composite materials made of regular repeating units on the macroscale/mesocscale. Depending mostly on the structure of the repeating unit rather than the intrinsic quality of the constituent materials, metamaterials can possess unusual physical and chemical properties that do not naturally occur, such as microwave cloaking. In recent years, research on optical metamaterials was mostly focused on the unusual electromagnetic properties in the microwave region, which is largely limited to the material processing capacity. Because the size of repeating units of the metamaterials has to roughly match the wavelength of the electromagnetic wave, it is extremely difficult to extend the same processing method in the microwave region to infrared/visible region. In such cases, it is crucial to construct repeating units of optical metamaterials on the mesoscale. The purpose of this project is to construct size-adjustable scaffold for the repeating units of optical metamaterials by using the reverse biomineralization mechanism of collagen on the inorganic crystal surface. We expect that the new metamaterials synthesized by this method can make breakthrough on the negative refractive index in the infrared/visible region.

纳米科技的兴起颠覆了人们对传统材料的认识观，吸引了大量优秀科学家在介观尺度上的基础研究，各种新型材料不断地被开发出来。在这片崭新的领域里，超材料（Metamaterial）的研究是最引人注目也极具市场潜力的。超材料通常是一类在介观/宏观尺度上有规则重复结构的人工复合材料。取决于其人工结构而不是其组成材料的本征特性，超材料能获得自然界的天然物质所不具备的超常理化性质，譬如对微波雷达隐形等。近年来对超材料研究主要是集中在微波范围内超常电磁性质的获得，这很大程度上局限于材料加工能力，因为超材料的基元结构与电磁波波长要适度匹配。为了将类似工作原理的超材料延伸到短波段领域，譬如红外/可见波段，构造介观尺度上的基元结构至关重要。本课题的目的就是利用胶原蛋白在无机晶体上自组装的逆向生物矿化原理来构架新型的尺度可调的超材料骨架，并期待该新材料能取得突破，在红外/可见波段获得负折射率等超材料性能。

本项目的前期研究主要集中在实验室人工合成类胶原蛋白单体的工作上，力图克服当前光学超材料在介观尺度上加工难的问题，使合成的类胶原蛋白单体通过自组装方式来构造超材料的阵列结构。经过两年的实践尝试，人工合成的类胶原蛋白单体性能与预期有较大差别，未能在基质衬底上通过自组装形成预期的胶原蛋白纳米线阵列。于是，我们调整了计划，改用天然I型胶原蛋白单体为原料，尝试其在不同的基质衬底，天然云母（mica, 2M1 muscovite）、镀金云母和单晶硅片上自组装形成纳米线阵列来构造超材料的骨架结构，并与Ag纳米线，二氧化硅， 石墨烯以及二硫化钨等多种金属、非金属和半导体材料共混来制备新型的膜层光电材料。根据实验结果，唯有二硫化钨在天然云母基质上能较好地受胶原蛋白纳米线阵列的归导形成二维的单层过渡族金属硫化物（TMDC）薄膜材料，在负折射率超材料、柔性光电器件以及谷电子和自旋电子器件领域可能具有重要应用前景。另外，我们以云母晶体的（001）晶面为基质，以天然I型鼠尾胶原蛋白单体溶液为原料，分别考察了蛋白单体受基质规导进行“自下而上”的自组装过程，以及原子力显微镜探针对吸附在基质表面的蛋白膜层进行“自上而下”加工过程，并从理论上推导出“自下而上”制备方法利用了蛋白单体和基质晶体在界面上互相识别并规范的“反相生物矿化”原理，“自上而下”的加工利用了原子力显微镜接触模式下探针的“分子扫帚”机理。最后，我们将原材料选择拓宽到当前材料研究热点，大π键共轭的复杂多环芳香烃类化合物上，对其光电性质进行了前期的实验探讨。而且我们对目标材料光学增益的激光特性、双折射特性等光电性质进行了多种理论模拟计算，为将来测试材料的光电应用特性积累参考资料，为加快材料的应用转化打下良好理论基础。