凝胶体系中碳酸钙晶体生长的实验研究

摘要

生物矿化与一般无机相的结晶不同，其无机矿物的结晶严格受生物体分泌的有机基质的控制，在其诱导下结晶生长。有机基质通过有机/无机界面分子识别，选择性地与晶体特定方向作用，从而对无机晶体的生长、形貌、多形及结晶学定向等产生明显的调控作用。 碳酸钙作为一种非常重要的无机材料，在工程上具有广泛的应用。但碳酸钙作为生物材料，直到最近才引起了各学科的广泛研究，其复合特性及形貌决定着它的各项性能，仿生矿化的研究为了解碳酸钙生物矿化的机理及制造高级复合碳酸钙材料提供了新途径。所以本文利用凝胶法，分别使用无机的硅凝胶和有机的琼脂胶仿生合成出了碳酸钙晶体，并利用原子力显微镜观察了这两种凝胶中生长出的方解石晶体的微观形貌，从微观尺度上比较这两种凝胶中碳酸钙晶体的生长，了解碳酸钙晶体的生长机制，进而指导晶体生长实践。 论文是在实验室的条件下，主要利用琼脂胶介质调控碳酸钙晶体的生长，通过改变各种实验参数：凝胶介质、反应物浓度、凝胶介质的Ph值、凝胶的浓度、环境温度和金属 等，生长出多种形貌的碳酸钙晶体，并且这些参数的变化还能改变碳酸钙晶体的成核数，诱导文石和球霰石成核，特别是在其它条件相同的情况下，琼脂凝胶中生长出来的碳酸钙晶体与硅凝胶中生长出来的碳酸钙晶体相比较，表现出了诸多不同之处。论文根据实验结果分析了导致晶体结晶状态和形貌的多样性的机理，还研究了凝胶法这一生长方法，为改进这种方法提供了可信的实验依据。 论文利用原子力显微镜观察了不同反应物浓度下，硅凝胶和琼脂胶中生长出来的方解石晶体的表面形貌，发现这些晶体虽然都表现为二维成核生长机制，但是两种凝胶中方解石晶体的微观形貌还是略微不同。论文初步分析了晶体表面形貌形成的原因，证明晶体中的各种缺陷也影响了晶体生长，由此得出方解石晶体表面形貌的形成是二维成核生长机制与缺陷生长机制共同作用的结果。