重庆大学李猛教授团队在仿生矿化机制及节能应用中取得新进展

近日，重庆大学能源与动力工程学院李猛教授课题组在生物矿化机制与仿生结晶调控领域取得重要研究进展。相关成果以“Membrane-induced eggshell biomineralization towards controllable crystallization”为题，发表于高水平综合性学术期刊《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。该研究从自然界鸟类蛋壳的快速矿化现象出发，揭示了不同鸟类蛋壳膜促进碳酸钙结晶的共同界面特征，并将天然矿化策略应用于仿生功能材料设计，为能源动力系统中的结晶调控与水处理提供了新思路。

重庆大学博士研究生陈昭宇为论文第一作者，该项研究工作同时与新加坡国立大学、康奈尔大学、香港理工大学、上海交通大学、武汉大学、武汉理工大学、重庆市动物园等多家国内外单位开展合作研究。

鸟类蛋壳是自然界快速生物矿化的典型代表，其形成过程涉及复杂的生理调控。作为矿物沉积的重要初始界面，蛋壳膜在这一过程中发挥着重要作用。然而，不同鸟类蛋壳膜是否具有共同的结晶促进能力，其界面调控机制能否为工程结晶过程提供启发，尚无研究。

图1 鸟类蛋壳形成特征及蛋壳膜研究对象。展示不同鸟类的产卵间隔、蛋壳与蛋壳膜的结构关系，以及本研究涉及的鸟类样品。

围绕这一科学问题，研究团队系统收集并分析了三十余种不同鸟类的蛋壳膜，在统一实验条件下评价其碳酸钙结晶诱导性能。研究发现，所有受测蛋壳膜均能有效促进碳酸钙沉积，其中表现最优的蛋壳膜，其结晶沉积速率约为对照材料的20倍。结合界面物理化学表征与理论分析，研究进一步揭示了蛋壳膜共有的交织纤维结构、酸性氨基酸组成及表面负电荷特征，通过促进固液界面离子富集、降低异相成核能垒，为快速矿化创造了有利条件。

图2  33种鸟类蛋壳膜的结晶促进能力及共同界面特征。通过结晶沉积实验、氨基酸组成分析、表面电位测试及理论计算，揭示不同鸟类蛋壳膜的共性结晶诱导规律。 

在此基础上，研究团队借鉴天然蛋壳膜的结构与界面化学特征，采用纤维成型与表面功能化技术，设计制备了具有高效结晶诱导能力的仿生纤维膜。通过实验表征与多尺度理论模拟，研究阐明了界面离子富集、成核能垒降低及晶型演化调控的协同作用。在相同测试条件下，该仿生膜的结晶促进能力超过了表现最优的天然蛋壳膜，实现了从天然生物矿化机制认识到人工功能界面设计的转化。 

图3 仿生纤维膜的设计制备与结晶调控性能。展示仿生纤维膜的制备流程、微观纤维结构、表面物理化学特征及碳酸钙结晶诱导性能。

面向能源动力系统中循环冷却水结垢引发的传热热阻增大、流动阻力增加等工程问题，研究团队进一步探索了仿生纤维膜在水软化与结垢控制中的应用。不同于传统的被动阻垢策略，该研究通过主动诱导碳酸钙在指定材料表面结晶，实现水体硬度降低及管道结垢抑制。在连续30天的循环实验中，仿生膜处理系统有效降低了水体硬度，并将不同金属管道有效流通截面积的损失控制在2%以内，展示了该策略在换热系统结垢防控中的潜在应用价值。

图4 仿生纤维膜在循环冷却水软化与管道结垢控制中的应用。展示仿生纤维膜复合组件的制备与结构、循环水软化效果、不同金属管道的结垢情况及潜在工程应用方式。

该研究立足能源应用领域中的界面传质与结晶过程调控问题，将生物矿化、仿生材料设计与能质传输有机交叉结合，探索了自然界高效矿化策略向工程应用转化的新路径。研究成果为理解生物矿化中的界面作用提供了新的科学认识，也为能源系统中的低能耗水软化、结晶过程主动调控提供了新的研究思路，体现了我校在能源动力与仿生材料科学交叉研究领域的探索与创新。

重庆大学博士研究生陈昭宇为论文第一作者，该项研究工作同时与新加坡国立大学、康奈尔大学、香港理工大学、上海交通大学、武汉大学、武汉理工大学、重庆市动物园等多家国内外单位开展合作研究。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag672

来源：能源与动力工程学院

文字：张莉梅