image: 图1｜鸟类蛋壳的快速形成与蛋壳膜的矿化界面作用。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
鸟类蛋壳是自然界快速生物矿化的典型代表。一枚鸡蛋的蛋壳能够在不到一天内完成矿物沉积，而不同鸟类也普遍展现出高效的蛋壳形成能力。在这一复杂的生理过程中，蛋壳膜是矿物沉积的重要初始界面。那么，蛋壳膜如何促进快速矿化？这一作用是否广泛存在于不同鸟类之中？
近日，重庆大学李猛教授联合香港理工大学王钻开教授研究团队在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）发表研究论文“Membrane-induced eggshell biomineralization towards controllable crystallization”，揭示了不同鸟类蛋壳膜促进矿化的共同界面特征，并以此为启发实现了仿生快速结晶调控及并进行了应用演示。
33种鸟类蛋壳膜：不同外表下的共同矿化能力
从体型庞大的鸵鸟到小巧的鸣禽，鸟类蛋壳尺寸差异显著，其内部的蛋壳膜却展现出相似的结晶促进能力。研究团队在统一的低过饱和条件下比较了33种鸟类蛋壳膜，发现所有受测样品均能促进碳酸钙沉积，其中表现最优者的沉积速率约为对照材料的20倍。进一步研究表明，这些蛋壳膜具有相似的交织纤维网络、氨基酸组成及带负电荷的表面，有利于固液界面钙离子富集并降低晶体成核能垒，共同创造有利于快速矿化的固液界面环境。
向自然学习：让矿物在指定界面上快速结晶
受天然蛋壳膜启发，研究团队通过纤维成形与表面化学修饰制备了仿生纤维膜，实现了对界面离子迁移、晶体成核及晶型演化的协同调控。在相同实验条件下，其结晶诱导能力超过了表现最优的天然蛋壳膜。
这一策略也为能源动力系统的结垢防控提供了新思路。循环冷却水中的碳酸钙水垢容易增加换热设备的传热热阻与管道流动阻力。研究团队尝试变被动阻垢为主动结晶调控，引导矿物优先在仿生膜表面沉积，实现近零能耗的水软化与管道结垢抑制。在连续30天的循环实验中，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。
研究亮点：从认识天然界面到设计人工界面
该研究通过跨鸟类比较揭示了蛋壳膜促进矿化的共同规律，并将这一自然策略转化为人工仿生材料的界面设计方法，建立了生物矿化与能源化工中传质、结晶调控之间的联系，为低能耗水处理、换热系统结垢防控及生物矿化机制的工程应用提供了新思路。
重庆大学博士研究生陈昭宇为论文第一作者。重庆大学李猛教授、香港理工大学王钻开教授为论文通讯作者。该文合作者包括重庆大学廖强教授、肖扬教授、卢阳教授、新加坡国立大学John Wang院士、上海交通大学王京教授、武汉理工大学邹朝勇教授、武汉大学杨婷教授、重庆市动物园匡高翔高级工程师等。研究团队特别感谢重庆市动物园在鸟类蛋壳样品收集与获取过程中提供的支持与帮助，为研究的顺利开展提供了重要保障。