导　　师： 王海水

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 碳酸钙是一种极具研究价值的晶体。广泛的自然分布、巨大的天然储量、低廉的获取价格以及独特的物理化学特性,使其在橡胶、造纸、涂料、医药、仿生矿化等领域应用广泛。研究碳酸钙晶体的生长机制、调控晶体的结晶晶相、形貌和生长取向具有重要科学意义和工业价值。本论文选取应用广泛的气体扩散法和水溶液环境制备碳酸钙晶体。选取自然界唯一含有巯基的天然氨基酸——L-半胱氨酸,借助其在金表面自发有序成膜特性,将传统实验中在水溶液“自由”分布的氨基酸分子有序“固定”在金基底表面,并利用这种有序排列的氨基酸自组装单层成功实现碳酸钙晶体的晶相、形貌和取向控制,系统而深入的讨论了L-半胱氨酸自组装单层的诱导机制和溶液中碳酸钙晶体的成核和生长机理。主要研究结论如下:1.在水溶液无添加剂环境,首次发现气体扩散法制备获得的碳酸钙晶体的晶相随溶液深度呈现梯度变化:溶液上部为具有菱面体外形的方解石,下部为片状球霰石,中间则混合结晶方解石和球霰石。一般认为的微小的梯度溶液环境对结晶造成极大影响,随时间和溶液深度呈现梯度变化的溶液环境(如p H、NH4+和NH度、以及CO32-与Ca2+浓度比等),是碳酸钙不同晶相选择性结晶的主要诱因。此研究颠覆了传统认为的由气体扩散法实验装置差异导致多晶相混合结晶的观念。2.L-半胱氨酸自组装单层能够克服梯度溶液环境干扰,有效控制碳酸钙结晶的晶相。p H=6.0近中性溶液环境,利用自组装单层能够诱导晶面平滑、棱角锐利、结晶完整、尺寸均一的菱面体方解石生长,是获得规则方解石晶体的理想手段。3.通过改变反应时间和溶液初始p H,成功实现氨基酸分子对碳酸钙结晶取向的可控调节。改变实验条件,可以获得择优取向系数高达95%的(001)面和98%的(104)面方解石晶体。研究表明,较低的初始p H环境能够有效提高自组装单层表面(001)面的结晶比例,较高初始p H则有利于(104)面方解石结晶。4.利用L-半胱氨酸自组装单层随溶液p H变化特性,通过调节溶液初始p H实现了简单溶液环境碳酸钙晶体的形貌调控,并获得了具有全新外形的方解石结晶。p H在6.0~9.0区间,方解石在自组装单层表面呈规则菱面体外形;p H大于12.0,主要生长松塔状和多晶球状的方解石晶体。5.设计使用陈化环境调节方法成功获得了具有粗糙表面、多孔形貌的方解石单晶。研究表明,减压和高温陈化获得的多孔方解石表现良好的助水水特性,大大提升自组装单层的疏水能力。本实验工艺简单、重现性好、可操作性强,合成的碳酸钙材料稳定性高、环境友好,在超疏水材料领域拥有广阔应用前景。

关 键 词： 晶体 碳酸钙 水溶液 气体扩散法 自组装单层 半胱氨酸

分 类 号： [TQ132.32 O78]

领　　域： [化学工程] [理学]