現(xiàn)代科技通常需要高溫來控制陶瓷的含水量。然而，即使是最先進(jìn)的技術(shù)也只能控制整體的含水量。相比之下，自然界可以在溫和的水環(huán)境中產(chǎn)生具有可調(diào)水合特性和結(jié)晶行爲(wèi)的生物陶瓷。

最近，香港城市大學(xué)（城大）的研究團(tuán)隊展示了一項可能的仿生礦化策略，透過壓縮由生物體內(nèi)常見離子（Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃^2? 和 PO₄^3?）合成的純無機(jī)凝膠，可以控制陶瓷的水合和結(jié)晶行為。這些無機(jī)凝膠在溫和壓力下能夠生成透明的陶瓷片，壓力水平則影響它們的水合和結(jié)晶行為。

城大工學(xué)院院長兼機(jī)械工程學(xué)系講座教授呂堅教授指出：「至少五億年前，生命已經(jīng)可以構(gòu)築令人嘆爲(wèi)觀止的陶瓷結(jié)構(gòu)。生命如何在生物相容的水環(huán)境中精準(zhǔn)實現(xiàn)陶瓷製造與調(diào)控，這一難題已經(jīng)困擾了科學(xué)家?guī)讉€世紀(jì)。而我們的這項研究為生物礦化謎團(tuán)提供了新的綫索。」

城大材料科學(xué)及工程學(xué)系副教授李揚(yáng)揚(yáng)教授補(bǔ)充道：「其中的關(guān)鍵在於首先得到穩(wěn)定的無定形礦物凝膠，這可以通過簡單混合鹽溶液來實現(xiàn)。這種穩(wěn)定的凝膠便於後續(xù)的儲存、運(yùn)輸、成型，並能被轉(zhuǎn)化為具有不同性能的生物陶瓷塊體。」

此研究展示了在生物相容的水環(huán)境中，將鹽水溶液轉(zhuǎn)化為堅硬透明的陶瓷的礦化過程。它提供了有關(guān)生命如何在溫和條件下調(diào)節(jié)無定形生物陶瓷水合狀態(tài)的新見解，揭示了有序排列的水分子在結(jié)晶過程中的關(guān)鍵作用。此外，研究發(fā)現(xiàn)了一種生物相容的合成路徑，可以製備一種可促進(jìn)骨生長的天然生物礦物 — cattiite，為其在生理條件下的生成機(jī)制通過了新的綫索。

值得一提的是，雖然在是次研究中使用的壓強(qiáng)範(fàn)圍（≤ 1 GPa）較大，但如作用在微納尺度，所需壓力實則非常微小。考慮到生物體中的礦物通常由納米顆粒堆疊而成，生命也許僅需很小壓力即可完成生物礦化工程。

如果科學(xué)家們可以理解掌握如何在溫和條件下調(diào)節(jié)陶瓷水合狀態(tài)及控制其融合、相變等性質(zhì)，就為一種全新、更環(huán)保及更經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)陶瓷工藝開闢了道路。同時，這項研究還可能對環(huán)境科學(xué)有所貢獻(xiàn)。例如，通過理解生物體如何調(diào)節(jié)其礦物質(zhì)的水合狀態(tài)及結(jié)晶行為等性質(zhì)，便能更好地保護(hù)和恢復(fù)珊瑚礁等重要生態(tài)系統(tǒng)。

 

相關(guān)的研究成果已在學(xué)術(shù)期刊 Science Advances《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表，題為 <從鹽水到生物陶瓷：模仿自然透過壓力控制的水合和結(jié)晶>。
 

如有查詢，歡迎聯(lián)絡(luò)城大工學(xué)院院長兼機(jī)械工程學(xué)系講座教授呂堅教授（電郵： [email protected] ）。