极端仿生品 寻找天然材料的工程灵感

生产仿生材料和支架的生物启发工程通常发生在微米或纳米级。在一项有关“ 科学进步”的新研究中，Iaroslav Petrenko和一个多学科的全球研究团队提出了使用天然预制的三维(3-D)海绵海绵支架来保留较大的厘米级样本中分子细节的建议。在材料表征研究过程中，研究人员需要使用大型样品来测试纳米级特征。天然存在的胶原蛋白资源具有精细的结构，可在高达1200 0的温度下稳定C有潜力生产多达4 x 10 cm的3-D微纤维和纳米多孔石墨，用于表征和催化应用。新发现表明，在涡轮层(未对准)的石墨中，三螺旋胶原的纳米结构特征得以保留。碳化海绵类似于原始海绵支架的形状和独特的微结构。然后，研究人员对复合材料进行了铜电镀，形成了一种在淡水和海洋环境中均具有优异催化性能的混合材料。

极限仿生技术是寻找自然工程灵感的源泉，旨在为现有的合成策略提供解决方案。生物工程师和材料科学家的目标是创造出能够抵抗苛刻的化学和热微环境以模仿自然预制的3D结构的无机-有机混合材料。例如，科学家已经将海洋海绵用作生产模型系统，以开发具有可再生，无毒有机支架的新型，层次结构化的3D复合材料。在6亿年前的发展过程中，海洋海绵已经生产了从厘米到米的各种构造，目前在材​​料研究中具有潜在的应用。

海绵骨架的纤维成分称为海绵蛋白，属于胶原蛋白家族，由于其纳米结构组织和生物力学性能而成为材料工程的重点。从结构上讲，类胶原蛋白海绵具有多种含量，包括100 µm厚的单纤维和纳米纤维，结合成具有高大孔隙率的复杂3-D分层网络。由于海绵蛋白的热稳定性高达360 0 C，并且具有耐酸性，因此研究人员在水热合成反应中使用了海绵蛋白基支架来开发氧化亚铁(Fe 2 O 3)和二氧化钛(TiO 2)-)基复合材料，用于电化学和催化目的。科学家还碳化了海绵状支架，以开发厘米级的二氧化锰(MnO 2)基超级电容器。

在材料科学的当前趋势中，科学家的目标是使用可再生和可生物降解的自然资源，大规模开发具有可控的微结构和形态的碳材料。最近的研究建议结构蛋白(例如角蛋白，胶原蛋白和蚕丝)适合在200 0 C至800 0 C甚至高达2800 0 C的温度范围内碳化。然而，迄今尚未有关于海绵状，即用型碳支架的研究，该支架具有分层的孔和3-D连接的骨架。

结果，Petrenko等。通过结合从纳米级到厘米级的层级复杂性，开发了新型的3-D碳化海绵支架，能够承受大于1200 0 C的温度，同时保留纳米级的结构。该研究小组假设可以在高温下将海绵素转化为碳，而不会损失其形式或结构完整性，从而有利于将其官能化成催化剂。在新工作中，他们详细介绍了设计厘米级3-D碳化海绵Cu / Cu 2的首次成功工作。使用极端仿生策略的催化材料。然后，研究小组证明了该材料在淡水和海洋环境中有效催化4-硝基苯酚(4-NP)还原为4-氨基苯酚(4-AP)的能力。

科学家们首先加热了海绵骨架以直接碳化它们。与天然海绵相比，碳化的海绵在体积上有所减少，但保持了3-D纤维外观并增加了密度。然后，研究小组使用13 C核磁共振(NMR)光谱分析了碳质材料，以了解其结构化学。与以前的结果相比，研究小组发现这种材料类似于包含有序的类石墨畴的无定形石墨。他们使用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱法证实了这一发现。研究小组使用高分辨率透射电子显微镜确认了石墨(从海绵蛋白中获得)的成分(HRTEM)，快速傅立叶变换(FFT)和选择区域电子衍射(SAED)技术。碳化海绵的电子能量损失谱图(EELS)测量与以前的结果相对应。

在纳米级，石墨纳米团簇产生了多孔结构，Petrenko等人。我们使用碳化海绵的TEM(透射电子显微镜)显微照片进行了研究，以发现基于胶原蛋白的纤维蛋白。他们观察到了具有珍珠状链和周期性的纳米结构，以及海绵蛋白碳化后胶原螺旋结构的保留特征。傅立叶变换图像显示了纳米级的六边形晶格，科学家们证实了基于胶原蛋白的海绵蛋白向六边形碳结构的转化。然后，研究小组使用其他材料表征技术，系统地研究了碳化的结构和化学变化。结果显示了材料从碳到纳米晶石墨的逐渐演化。

然后，研究小组测试了在CuCSBC存在下4-硝基苯酚(4-NP)还原为4-氨基苯酚(4-AP)的反应。通常，4-NP构成药物染料和农药，它们作为有毒水污染物污染海洋生态系统。目前，模拟海水中4-NP的催化还原对全球的生态学家和环境保护机构提出了巨大的挑战。在目前的工作中，当彼得伦科等人。在系统中加入5 mg CuCBSC，他们在2分钟内将模拟海水和去离子水中的4-NP还原为4-AP。科学家将CuCSBC的出色催化性能归功于其3-D六角形和中孔结构以及独特的仿生碳质载体。

以这种方式，Iaroslav Petrenko及其同事使用天然原料开发了具有催化活性的仿生材料。他们在混合碳化过程中使用胶原蛋白基质设计了具有可控3-D微体系结构的厘米级，机械稳定的碳材料，并用铜涂覆了海绵状热解产物。研究人员在用Cu / Cu 2 O对所得的CuCSBC产品进行功能化后，保持了3-D碳的精细表面。该产品在5 0的模拟海水中显示出异常的潜力和稳定性。C和去离子水中。该团队形成了一种可再生且稳定的仿生CuCSBC催化剂，以从受污染的海洋环境中去除4-NP。材料工程技术在经济上是可行的;种植和种植海绵，并在实验室中形成机械坚固的碳化版本。未来的研究将集中在材料体系结构的原子尺度上，以提供进一步的见识，以形成优化且更有效的生物启发材料。