摘要: 材料科学家一直在努力制备各种高强功能材料来满足实际应用的各种需求。相比于合成材料，自然界在进化中已经产生了许多由相对柔弱的组分按照一定的复杂等级结构组装成坚固的生物材料，并且这些生物材料通常兼备多功能性的特点。因此，坚固的生物材料... 展开 材料科学家一直在努力制备各种高强功能材料来满足实际应用的各种需求。相比于合成材料，自然界在进化中已经产生了许多由相对柔弱的组分按照一定的复杂等级结构组装成坚固的生物材料，并且这些生物材料通常兼备多功能性的特点。因此，坚固的生物材料系统由于其多种多样的等级结构和卓越的性能而越来越受到研究者的关注，为制备下一代先进功能材料提供了丰富的灵感。在此类坚硬的生物材料中，作为软体动物保护外壳的主要成分而存在的贝壳珍珠层，由于其表现出完美的“砖泥”微观体系结构，优异的机械力学性能，和光彩夺目的结构色，而成为最受欢迎的人造先进材料设计模型之一。 本论文着眼于贝壳模型，首先介绍了贝壳的结构和其性能之间的关系，总结以贝壳为模型制备仿生人造材料的基本原则。我们运用适当的结构组装单元和体系，并采用合适的组装制备方法，成功制备了几种有序复合材料，并研究其功能与结构的关联性。具体研究结果总结如下: 1.利用层层组装技术，以离子团簇和蛋白质为组装单元制备了超薄杂化复合膜。这种团簇-蛋白质杂化膜表现出良好的结构均匀性，良好的光学透明性和明亮的蓝色荧光。这些杂化膜相比于纯的BSA蛋白质膜，在力学性能上有着明显的提升，即:硬度(H)和折减杨氏模量(Er)分别提升高达70％和100％。研究发现，这样的增强效果与这些团簇本身的内在结构及其和蛋白质的相互作用力大小相关。由于这些杂化膜的高透明性和优异的机械性能，这些杂化膜将来或许可以在生物医学涂层上有着潜在的应用。 2.利用氧化石墨烯(GO)纳米片和层状双氢氧化物(LDHs)纳米片作为结构组装单元，通过层层组装技术制备了全无机成分的杂化涂层。制备出的仿贝壳杂化涂层表现出高的杨氏模量(～18 GPa)和硬度(～0.68 GPa)。该层状GO-LDH杂化涂层具有与天然贝壳类似的彩虹色外观，并表现出优异的防火阻燃性能。这种类贝壳结构的全无机GO-LDH杂化涂层有可能应用于防火阻燃材料。这项工作拓宽了GO-LDH杂化系统的应用，并给制备类贝壳结构超硬功能性涂层材料提供了一个新的研究方向。 3.利用粘土、壳聚糖和纤维素纳米纤维成功制备了仿贝壳结构的有机无机杂化薄膜。基于上述对粘土-壳聚糖纳米复合材料的研究，我们将一维纤维素纳米纤维引入到该二元杂化体系中，制备出具有层状结构的三元纳米复合材料。我们详细研究了纤维素纳米纤维对这种三元复合材料的力学性能的影响。研究表明，在含有适量的纤维素纳米纤维情况下，该三元杂化膜的力学性能在拉伸强度，韧性和硬度比二元杂化膜均有明显的改善。 3.在乙二胺/水二元混合溶剂体系中，通过简单的溶剂热反应制备了CoGeO3(en)0.5杂化材料纳米线，并以其为模板制备了CoGeO3纳米线。这种新的杂化材料由于引入了乙二胺分子，其光学和磁学性质与纯无机CoGeO3纳米线有着显著的不同。将CoGeO3(en)0.5杂化纳米线作为有效前驱物通过简单的热分解过程，可以制备出纯无机CoGeO3纳米线。此外，还研究了CoGeO3(en)0.5杂化纳米线和CoGeO3纳米线的电化学和氧气还原反应的电催化性质。 收起