仿生蛋壳膜促进碳酸钙结晶机制及其在循环冷却水系统中的应用研究

《National Science Review》：Membrane-induced eggshell biomineralization towards controllable crystallization

　　

摘要

鸟蛋壳是快速生物矿化过程的典型例子，但其底层基质——蛋壳膜（ESM）如何启动这一过程仍然是个未解之谜，而这一基本生物机制的应用潜力也尚未被探索。在所研究的33种鸟类中，蛋壳膜在标准化的体外条件下始终能够促进碳酸钙（CaCO₃）的结晶，并表现出较低的异质核化能垒。受这一机制的启发，我们设计了一种仿生纤维膜（b-FM），它复现了天然蛋壳膜的结构和化学特性。b-FM的沉积速率为0.58毫克/平方厘米/天，超过了最快的天然蛋壳膜（0.46毫克/平方厘米/天）。这种高效率得益于三个协同作用机制：（1）强烈的负表面电位有利于钙离子（Ca²?）的积累；（2）降低的异质核化能垒；（3）对结晶过程的调控。为了展示其应用潜力，我们将b-FM与玻璃纤维网（b-FM/GF）复合材料结合，用于循环冷却水系统中的水质软化处理。在为期30天的连续循环实验中，经过b-FM/GF处理的系统保持了水的软化效果，并有效抑制了管道结垢，管道有效面积的减少幅度不到2%。这些发现揭示了蛋壳膜促进矿化过程的共性特征，为工业结晶控制提供了设计原理。